チャレンジ

坑井制御のためのより安全な技術の導入は，海洋掘削業界における主要な関心事の一つです．その中核となる技術の一つが管理圧力掘削(MPD)です．これは，閉ループ型の泥水ポンプシステムを導入することで，掘削中の圧力を能動的に制御し，キックやロスを検知するものです．

MPDシステムには，安全が極めて重要な油圧バリアのための制御ユニットが必要であり，これらは通常運転時だけでなく，劣化状態や構成要素の故障時においても機能を維持しなければなりません．また，実際の掘削作業中には継続的な監視が求められます．

2026年のSystem Modeler Conferenceにおいて，Berkeley & Imperial社のRobert Prince-Wright氏とKonstantinos Antoniadis氏は，MPD油圧制御ユニット向けの運用可能なデジタルツインソリューションをどのように開発したかを実演しました．このソリューションでは，System Modelerを中核となる物理ベースのシミュレーションエンジンとして用い，産業用通信規格を通じて実機と統合しています．

以下のことが必要でした．

• 複雑な油圧機能および故障挙動の検証と妥当性確認を行う
• 系統的な故障注入および故障モード解析をサポートする
• 油圧およびメカトロニクスを2Dアニメーションとして可視化する
• シミュレーションが確実にリアルタイムで実行できるようにする
• リグからのライブセンサーデータとデジタルツインの状態を同期する
• 運用環境において複数のツインインスタンスを安全に配備する
• オペレーターに対して数秒以内に実行可能な診断とアラートを提供する
• フリート全体のデータを集約，解析，可視化する

解決方法

Berkeley & Imperial社は，System ModelerによるMPD油圧制御システムのシミュレーションを中核としたデジタルツイン技術スタックを構築しました．

物理ベースかつ計算効率の高い油圧モデルがSystem Modelerで作成され，システム統合試験の結果と照合して検証されました．このモデルは，リアルタイム実行，定常状態からのロバストな初期化，および通常時と故障時の双方における安定した挙動を実現できるよう設計されています．

デジタルツインのワークフローでは以下が統合されています．

• 油圧および制御挙動のリアルタイムシミュレーションのためのSystem Modeler
• オーケストレーション，解析，自動化の層としてのWolfram言語
• ノートブックから駆動される，構造化された故障注入および信頼性評価
• OPC UAを用いた安全なライブデータ交換

チームは2つの運用モードを開発しました．

シミュレーションモードでは，設計研究，最適化，感度解析，オペレーター訓練，およびリアルタイム診断に，スタンドアロンのSystem Modelerシミュレーションが使用されます．

セントリーモードでは，修正されたSystem Modelerシミュレーションが実機と同期されます．バルブ位置，ポンプ速度，圧力は，組込みのWolfram OPC UAクライアントを介してモデルへストリーミングされ，デジタルツインはシステムの想定される物理的挙動を継続的に計算します．予測された挙動と実測データの差異はリアルタイムで検出され，リグ現場および遠隔オペレーションセンターの両方で警報が発せられます．

産業的な配備を可能にするために，System Modelerのシミュレーションは実行可能ファイルとしてエキスポートされ，コンテナ化された環境に配備されます．これにより，さまざまな井戸やリグに対して複数のデジタルツインインスタンスを並列に実行することが可能になります．

利点

System Modelerを中核となるデジタルツインエンジンとして使用することで，Berkeley & Imperial社のチームは，より安全な運用，リスク低減，および持続可能な掘削を実現しました．その成果は以下の通りです．

• 安全上重要な油圧制御システムのためのリアルタイムで物理ベースのデジタルツイン
• 故障注入および故障モード解析を含む自動検証ワークフロー
• ライブのセンサーデータとデジタルツインの予測を比較することによる継続的な運用検証
• 掘削作業における迅速な異常検知およびアラート機能
• コンテナ化実行による複数の同期デジタルツインのスケーラブルな配備

このプロジェクトにより，System Modelerはオフラインシミュレーションを超え，MPDシステムにおけるリアルタイム監視と安全性保証のための運用デジタルツインの基盤へと発展しました．