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Les jumeaux numériques de l’invisible

Sous terre, la réplication du réel, qu’il soit géologique ou porteur d’infrastructures, est complexe. Déclinaisons dans le pétrole, les mines et la planification suburbaine.

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Les jumeaux numériques de l’invisible
Aux Pays-Bas, toute entreprise qui creuse ou explore le sous-sol doit intégrer ses données dans le BRO, le registre national du sous-sol.

Les industries extractives sont habituées à manier les données massives de la sismique et de la production. Elles les intègrent depuis longtemps dans des modèles 3D pour nourrir des simulations à grand renfort de puissance informatique. Si les industriels créent ainsi des modèles en 3D des champs pétrolifères, "je ne les appellerai pas jumeaux, on n’arrive jamais à être totalement prédictif", admet Dominique Janodet, directeur R & D exploration et production du groupe Total, qui a récemment inauguré son supercalculateur Pangea III. Le service Landmark d’Halliburton propose bien un jumeau numérique du puits, tant sur la phase de construction qu’en cours d’exploitation, afin de maximiser son retour sur investissement. Mais dans son entièreté, un gisement n’est pas une simple poche contenant un fluide homogène. Plutôt une immense éponge extrêmement difficile à modéliser. Certains essaient. L’américain Chevron vise à équiper tous ses gisements en capteurs d’ici à 2024. Total envoie même des capteurs biodégradables dans le sous-sol. BP affirme avoir créé, avec l’aide de WorleyParsons, un jumeau numérique du champ pétrolifère de Clair Ridge en mer du Nord.

Alors que les compagnies pétrolières sont plus contraintes financièrement depuis la chute des cours du pétrole fin 2014, le jumeau numérique de leurs installations s’impose en levier majeur de réduction des coûts. "TechnipFMC a fourni à ses clients plus de 700 systèmes de production sous-marins monitorés en permanence. Ce sont des jumeaux numériques en activité", affirme Julie Cranga, la vice-présidente subsea digital du groupe. En septembre 2019, TechnipFMC a conclu un partenariat avec DNV GL pour développer la première méthodologie du secteur pétrole et gaz pour qualifier l’intégrité de la technologie du jumeau numérique. Actuellement testée chez un client, elle sera dévoilée au second semestre 2020. Parmi les leviers de sa transformation digitale, Total développe le programme Quantum, qui vise à installer un jumeau numérique sur chacun de ses actifs stratégiques, comme sur sa plate-forme Culzean, démarrée en juin 2019 en mer du Nord. "Malgré le nombre de projets, les compagnies échouent à capturer la valeur des jumeaux numériques pour trois raisons, estime cependant le Boston Consulting Group (BCG). Elles privilégient les cas d’usages en fonction de la technologie disponible plutôt que de la valeur ajoutée, elles ignorent les besoins des opérateurs et sous-estiment à quel point les modes de travail doivent changer."

Du réel aux scénarios prospectifs

Le BCG relève tout de même quelques succès. "Une compagnie pétrolière internationale voulait réduire les arrêts des compresseurs de gaz. Une équipe multidisciplinaire a collecté les données de 1 500 capteurs et a mesuré la bonne santé de douze systèmes clés affectant leur performance. En déployant la solution sur ses opérations offshore et onshore, le jumeau numérique a permis de réduire de plus de 40 % les défaillances." Selon le BCG, les projets de jumeau numérique doivent être choisis pour leur capacité à réduire les coûts d’investissement, à accélérer le démarrage de la production, à augmenter le rendement, à réduire les coûts d’exploitation et à améliorer la sécurité. Ce qui exige de nourrir le jumeau en données à haute fréquence. "Par exemple, optimiser le contrôle des valves exige souvent de faire passer la fréquence des données sous la seconde."

Une réplique numérique 3D complète de l’installation dans son environnement, mise à jour en temps réel avec les données collectées sur le site physique permet, outre l’observation de la situation réelle, de simuler des scénarios prospectifs. Ce qui sera aussi précieux pour développer le stockage de carbone dans les gisements d’hydrocarbures. "Le jour où on injectera du CO2 dans les puits, il faudra être capable de modéliser ce qui se passe sur une durée bien plus longue que les vingt à trente ans d’exploitation", précisait Dominique Janodet lors d’une table ronde sur les géosciences prédictives pour les 60 ans du BRGM.

Les Pays-Bas modélisés de haut en bas

Loin du secteur extractif, les jumeaux numériques du sous-sol se déploient aussi en zone urbaine. Aux Pays-Bas, une loi de 2015 oblige l’ensemble des communes à créer et alimenter un jumeau numérique de leurs constructions (en lien avec le BIM, Building information modelling, pour la modélisation 3D et le suivi des bâtiments), mais également de leurs infrastructures souterraines. Fondations et parkings des immeubles, tunnels de métro, câbles télécoms, canalisations d’eau, de gaz… Tous les secteurs d’activité requérant des installations souterraines sont concernés. Depuis janvier 2018, toute entreprise qui creuse ou explore le sous-sol a l’obligation d’intégrer ses données dans le Basisregistratie Ondergrond (BRO), le registre national du sous-sol néerlandais. Toutes ces données sont accessibles au public via le portail d’open-data PDOK. La raison de cette législation peu commune ? "Permettre à nos villes de faire face aux défis climatiques à venir. Près des deux tiers de notre pays sont situés sous le niveau de la mer et nous investissons 7 milliards d’euros par an dans des ouvrages de défense contre l’eau", explique Martin Peersman, le gestionnaire de programme sous-sol au ministère de l’Intérieur. En outre, "la planification de notre sous-sol, suroccupé, est indispensable. Nous avons la troisième densité de population mondiale."

Au Portugal, la société Aguas do Porto s’est appuyée sur Bentley Systems pour créer un jumeau numérique de ses eaux potable, pluviales et usées afin d’améliorer la résilience de la ville aux inondations. Outre OpenFlowsWaterOPS qui permet de gérer les services hydriques d’un territoire, Bentley propose des outils géotechniques comme Plaxis, SoilVision, Keynetix (acquis en 2019), gINT... La France, elle, a lancé un programme de référencement de ses infrastructures sensibles souterraines, à compléter d’ici à 2026. Et Paris envisage de numériser son dédale d’égouts. On est loin du jumeau numérique, mais c’est un premier pas.

Les mines se dupliquent aussi

Malgré la lente mue numérique du secteur minier, quelques pionniers développent des jumeaux numériques en modélisant les mines, de surface ou souterraines, en équipant les engins de capteurs et en y liant les données de production. C’est ce que propose l’équipementier suisse ABB, spécialiste de l’automatisation. Le groupe français Eramet mise sur les jumeaux numériques, de ses mines à ses fours métallurgiques. Avec les drones Delair, il numérise ses mines au Gabon en Nouvelle-Calédonie. L’acquisition topographique par drone sera couplée au suivi des volumes produits, à la demande et au chargement du minerai sur les trains et les bateaux pour réduire les coûts. Les analyses par l’intelligence artificielle des données des drones doivent permettre la mise à jour continue des surfaces, des volumes et des pentes, améliorant aussi la sécurité des topographes.

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