A cloud, microservice-based digital twin for the Oil industry a flow assurance case study

Abstract

Digital Twins are one of the top recent technology trends, considered a front-runner in enabling the next generation of intelligent, digitalized industries. A Digital Twin is basi cally a real enterprise asset mirrored into the virtual world, created entirely in software, and utilized to innovate business, generate new revenue, and create value-producing op portunities. Naturally, building such demanding systems is not an easy task. Many organi zational and technological concerns should be addressed, like real-time processing, data management, cybersecurity, and low latency communication. Moreover, Digital Twins should be extensible and support data integration with its physical counterpart, allowing enterprises to streamline their operations more safely. Considering there are no standard methodologies or technologies to design a Digital Twin, software developers struggle to develop a robust, reliable Digital Twin architecture that meets customers’ needs. Therefore, in consideration of these technical challenges, we decided to explore solutions in the oil and gas industry. Oil plants are known for having notoriously complex pro cesses and an oppressive ecosystem when it comes to the adoption of new technologies, especially due to its intricate and ever-changing landscape. Despite these difficulties, this industry would certainly benefit from a well-designed Digital Twin. Hence, this work proposes a solution for an Oil Well Digital Twin architecture. We decided to use the flow assurance process of an Oil Well as a base to build a Digital Twin, aiming to study and fulfill those requirements and technical limitations. We implemented and tested several APIs, each one representing the virtual version of a real Oil Well component, enforcing the importance of microservices and cloud-native patterns in its design. When function ing together, these microservices comprise an entire Oil Well Digital twin solution, cov ering basic storage, communication, and monitoring fundamentals. This proof of concept demonstrates how a complex asset — like an Oil Well — can be built and organized in a completely digital manner. Lastly, this design is extensible and opens up further develop ment opportunities.

Gêmeos Digitais são uma das principais tendências tecnológicas recentes, considerados pioneiros na habilitação da próxima geração de indústrias inteligentes e digitalizadas. Um Gêmeo Digital é basicamente um ativo corporativo espelhado no mundo virtual, criado inteiramente em software e destinado a inovar os modelos operacionais e de negócios, ao mesmo tempo em que fornece novas oportunidades de geração de receita e valor. Naturalmente, construir sistemas tão exigentes não é uma tarefa fácil. Muitas preocupações organizacionais e tecnológicas devem ser abordadas, como processamento em tempo real, gerenciamento de dados, segurança cibernética e comunicação de baixa latência. Além disso, os Gêmeos Digitais também devem ser extensíveis e oferecer suporte à integração de dados com sua contraparte física, permitindo que as empresas agilizem suas opera ções com mais segurança. Considerando que não existem metodologias ou tecnologias padrão para projetar um Gêmeo Digital, os desenvolvedores de software tem dificuldade em desenvolver uma arquitetura de Gêmeo Digital robusta e confiável que atenda às ne cessidades dos clientes. Além desses desafios técnicos, a indústria de óleo e gás é conhecida por ter processos notoriamente complexos e um ecossistema opressor na adoção de novas tecnologias, prin cipalmente devido ao seu cenário intrincado e em constante mudança. Apesar dessas dificuldades, essa indústria certamente se beneficiaria de um Gêmeo Digital bem proje tado. Assim, este trabalho propõe uma solução de uma arquitetura para um Gêmeo Digital de um Poço de Petróleo. Decidimos usar o processo de garantia de vazão de um poço de petróleo como base para construir um Gêmeo Digital, visando estudar e atender a esses requisitos e limitações técnicas. Implementamos e testamos várias APIs, cada uma repre sentando a versão virtual de um componente real de um poço de petróleo, reforçando a importância de microsserviços e padrões nativos de nuvem em seu design. Ao funciona rem juntos, esses microsserviços compreendem uma solução completa de gêmeos digitais de poços de petróleo, abrangendo os fundamentos básicos de armazenamento, comunica ção e monitoramento. Esta prova de conceito demonstra como um ativo complexo – como um poço de petróleo – pode ser construído e organizado de forma totalmente digital. Por fim, esse design é extensível e abre mais oportunidades de desenvolvimento.