掘削データとトラブル予測•

藤 貫 秀 宣日鉄鉱コンサルタント

株式会社

Nittetsu Mining Consultants Co., Ltd

令和元年度 地熱井掘削監督者養成講座

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講演内容
①掘削データについて②掘削データの取得方法③掘削データ処理④トラブル予測（掘削データの変化）⑤実際のトラブル例⑥その他

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①掘削データについて• 掘削設備を維持管理するために必要なデータと安全な掘削を維持したり，地層条件を把握するデータの２種類がある。
• ACコントロールのリグでは，プログラム制御を行い，主力の機械（例えばドローワークス・ポンプ）の重大なる破損を回避している。
• 安全に掘削するデータを取得し，そのデータから判断してオペレーターはより良い掘削諸条件で掘削作業を実施する。
• 保安的に重要な部分についてセンサー等を取付け，制御または掘削機の停止を行う。
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掘削データの種類• 掘削設備本体からのデータ及び取り付けたセンサーからのデータエンジンのメータやインバーターの出力
ドローワークスエンコーダー，機械補機のデータ• 掘削設備に取り付けてあるセンサーからのデータ
一般的な荷重計・圧力計・ポンプストローク計などロギング的なものからのデータ• 地層からのデータ
検層・カッティングス・MWD・日報など

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②掘削データの取得方法
掘削データは，掘削設備の維持管理に必要なデータと掘削の維持に必要なデータがある。それらのデータは下記の２種類の方法で取得する。
• 掘削設備機械から直接所得するデータ• 掘削設備にセンサーを取付けて取得するデータがある。
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掘削機械から取得しているデータ• エンジンの場合は，回転数，水の温度・圧力，油の温度・圧力，吸気温度等・ACリグの場合は，回転数，電流値，トルクなどのインバーターからのデータとなる。
いずれも主な原動力からのデータとなる。
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掘削設備にセンサーを取付けて取得しているデータ• ポンプ・・・ポンプ圧力・ポンプ近接スイッチ• ドローワークス・・・エンコーダー• デットラインアンカー・・・油圧計センサー• 泥水タンク・・・温度センサー• 横導管・・・フローセンサー・温度センサー• テーブル（メカ二カル）・・・トルクセンサー• 油圧装置（HPU）・・・流量計・温度計• 硫化水素濃度・・・固定式の硫化水素計測器• トング類・・・トルクゲージ
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③掘削データの処理
最近主流の電気リグでは，圧力，流量，温度センサー等からデータを常にPLC（プログラマブ
ルロジックコントローラ）で計測・判断し，各機械の保護を行い，壊滅的な破損を回避している。

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8ドローワークスの制御• モーター保護に関しては，モーター自体の制御（インバーター）のほか，ブロアー等の冷却システムの異常の有無を監視している。
• ドローワークスに関しては，ギヤボックスのオイル循環量や温度・ブレーキに使用するオイルのコントロールを行い，ドローワークス緊急停止時のパーキングブレーキの稼働を行う。そのためHPU（油圧ユニット）は大切な装置となる。
• ドローワークスシャフトに連結したエンコーダーから常にフックブロックの位置を把握しておく。
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9ドローワークスエンコダー• ドローワークスエンコーダーの回転とドラムの直径からワイヤーの送り出しを計測し，常にフックブロックを位置を把握している。
• クラウンブロックとフックブロックの衝突や吊り具のフロアー衝突をプログラムで制御している。
• フックブロック位置を把握することにより，自動掘削のプログラムも可能となる。（例 荷重一定掘削，掘進速度一定掘削，トルク一定掘削等）

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10ドローワークスエンコーダー

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コントロールキャビン内
コントロールディスプレイ

コントロールディスプレイ

トップドライブ操作盤

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12アナログ表示

ポンプ圧力計トングトルクゲージ

ウエイトインジケータ
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コントロールキャビンでの操作状況

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システム構成図
コ ン ト ロ ール
ディ ス プレ イ

PLCVFDイ ン バータ

ド ロ ーワ ーク ス

エン コ ーダー

油圧ポン プ

圧力セン サ

潤滑油ﾎﾟ ﾝﾌﾟ温度セン サ

冷却フ ァ ン

油量セン サロ ータ リ テ ーブル

エン コ ーダー

冷却フ ァ ン

油量セン サマッ ド ポン プ

エン コ ーダー

冷却水ﾎﾟ ﾝﾌﾟ

圧力セン サ

潤滑油ﾎﾟ ﾝﾌﾟ

近接ス イ ッ チ

PLC

MCC

： PLC通信動力線： 低圧動力線
制御線

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PLC
アナログ入力（ジョイスティック・ポンプ圧力他）

高速カウンター入力（エンコーダー）

コントロールキャビン

CPU
電源

デジタル入力・出力
VHDハウス

ベースボードFL NET（ネットワーク）
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コントロールディスプレイの１例

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掘削諸データについて• 掘削深度・・・ケリー残入力でエンコダー管理• ポンプ量・・・ポンプ近接スイッチからポンプストロークを検出し，吐出量を把握する。
• ビット荷重・・・デットラインアンカーに油圧センサーを取付け，油圧を重量変換する。その際ビット荷重ゼロ状態をリセットし，掘削開始する。その差がビット荷重となる。
• フィルストローク・・・追降後ポンプを運転し，泥水が回帰するまでのストローク数。逸泥の前兆の把握。
• タンク流量・・・音波等によるタンク上部からの計測。
• 泥水温度・・・泥水の入り口温度・排出温度（タンクで計測）。
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ポンプカウンター計

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水位計（タンクに設置）

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④トラブル予測（掘削データの変化）
一般的な掘削トラブル時の掘削データ変化について
率

沈

トラブル種類

重量計

掘進能

降カッティ
ングスにより揚げ荷重上昇

大きな逸泥

水位により変 場合によって
化
は上昇

留

圧力の高い貯若干下がる

場合によっては 降カッティングスによりトルク上昇

泥水量

泥水温度若干減少

若干下がる

減少

下がる

増加

上昇

暴 噴

揚管時や検層準備中などのポンプ停止時に発ツールス切断

減少

進行が停止

差圧抑

下がる

管動不能変化なし

留物

下がる

することが多い。

場合によって低下大きさによって減少する

留

ドリルパイプのウオッシュアウト

備 考

生

場合によっては上昇層

ビットの不良落下 による抑

下がる

回転トルク
沈

小さな逸泥

ポンプ圧力

最終的に切断
回転不能

逸泥は無い

変化あり
回転不能

管動不能
物

場合によっては崩壊 によりアニュラス トルク上昇の閉塞による
圧力上昇

崩 壊

揚荷重増

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カッティングス増える

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逸泥に関して• 逸泥層の把握は，貯留層のためだけでなく，坑井を仕上げるためや，ケーシングセメンチングの仕上げ精度を向上させるためにも最も重要である。
• 逸泥防止の基本は，坑井放置・防止材の混入・逸泥防止セメンチング等の方法であるが，ケーシングセメンチング方法の選定を間違えると生産障害を起こすこともある。
• 逸泥防止には，逸泥深度の確定・逸泥量・逸泥層の圧力を把握して，その対策方法を検討したり手順を検討を行うことである。
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⑤実際のトラブル例（例１）• 状況
・深度：１８９３．４０（ｍ）
・逸泥量：２０００（Ｌ/分）以上
・ポンプ圧力：７０→５（Ｋｇ/ｃｍ２ ）・ビット荷重：１５（ｔ）
その後徐々にポンプ圧力が３９Ｋｇ/ｃｍ２回復。
２，０９０ｍ付近にてポンプ圧力がほぼ０Ｋｇ/ｃｍ２ 。

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例２ 掘削中の入排泥水温度
9075.6 76.3

80

79.2
76.4

74.1

70.2

排泥温度

70

78.5

62.5

60

55.5
45.5 46.5

50
温度℃
40
27.7
27.628.5 28.9

30

30.3

31.1
28.0

32.6

34.3

35.8

36.9

39.4

40.8

49.4

47.2

47.7

50.1 50.2

41.6

32.0

31.0

48.0

52.5

31.0

30.0

32.0

34.0

36.0

36.0 36.0

36.0

43.043.042.0 42.0
41.042.0
40.0
40.040.0
39.0
38.0
37.0 37.0
35.0

27.0

20

入泥温度

100
50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

205

深度（ ｍ）

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27210

トラブルと対策• ケーシング挿入のため，揚管中暴噴された。
• その後循環したが，地熱流体が坑井内に流入し，掘削流体が増加した。
• バライトを使用して，泥水比重を１．４０まで上げ，噴出を抑制した。
• セメントフラッシュ後，泥水比重を維持したままケーシングを挿入し，セメンチングを実施。
• ワイヤーラインで掘削し，掘削終了した。しかし，掘削は泥水比重を１．２０程度であったため，インナーチューブ回収時インナーチューブの抑留は発生した。
• 最終的には３００mで坑井を仕上げた。（坑内温度：２６０℃）

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例３ 同一区間に高温対流が発生した時のケーシングセメンチング（状況）＊13-3/8”ケーシングを深度502.99mで設置後，以深を12-1/4”トリコンビットで計画深度1,100mまで掘削することが当初計画。
＊深度760.10mで2,500L/分以上の逸泥，0.9m無荷重掘削，ポンプ圧0KSC。
＊逸泥対策としてセメントフラッシュ７回を実施したが，閉塞出来ず逸泥掘削を実施。
＊深度941mで生産貯留層に到着，その後抑留を繰り返し，深度1,110mまで掘削。しかし抑留をバックオフを繰り返し，また，浅部である深度510m〜600m区間の坑内状況が悪化（口径拡大）したため，9-5/8”ケーシングを設置することを決定。そのため7”ケーシングを深度1,103.60m〜726.35mまでライナーセメンチングを実施した。
＊２つの地熱貯留層を１区間のライナーセメンチングで塞いだ計画であったため，施工中問題が発生した。
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７“ライナーセメンチング結果• ７“シュー深度 ：深度１，１０３．６０m• ７“ライナートップ：深度 ７２６．３５m• 後押し中２０６ストローク（8‐P‐80）ポンプ圧上昇，後押し不可能。
• ライナートップの耐圧確保のためのセメンチングに移行した。

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第１回目トップセメンチング• 水位が５７７mであったが，直後５４７mに上昇。
• ノズル位置：５３０m• セメント：１０，０００Kg• スラリー比重：１．８０• スラリー量：８，３６０L（２１７m分）• 後押し水量：無し• 坑内残留セメント（５８９．００〜６３２．２０m：４３．
２m分）• 効果：無し ２，５００L/分以上の逸泥
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水位測定
• ノズル管（4‐1/2”ドリルパイプ）を深度６１０mまで降ろし，ドリルパイプ内で水位測定し，アニュラス部から注水を実施した。
• 注水 1,000L/分 水位438.94m
注水停止後水位600m以深• 注水 1,000L/分 水位431.32m
注水停止後 ５分 水位502.65m
注水停止後 ９分 水位397.85m
注水停止後 １８分 水位554.77m
注水停止後 ２０分 水位600m以深• 注水が不安定であるため，PT検層の準備に入った。その間
NZ位置を浅部に設置してセメンチングを実施することにした。

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第２回目トップセメンチング• ノズル位置：４６２m• セメント：１４，０００Kg• スラリー比重：１．８０（塩化カルシウム１％）• スラリー量：１１，７００L（２９６m分）• 後押し水量：１KL• セメント頭部無し• 効果：無し ２，５００L/分以上の逸泥
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第３回目トップセメンチング• ノズル位置：４５４m• セメント：２０，０００Kg• セメント比重：１．８０（塩化カルシウム２％）• スラリー量：１６，７００L（４２３m分）• 後押し水量：１KL• セメント頭部無し• 検層（温度・圧力）に移行
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温度回復状況（測定深箇所：ライナートップ）

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圧力回復状況（測定深度：720.20m）

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第４回目トップセメンチング• 9‐5/8”吊り管設置，プラグコンテナ設置（トッププラグ挿入済）• プラグ下セメント：１７，０００Kg（スラリー：14,213L
３６０m分） スラリー比重：１．８０• トッププラグ投入• プラグ上セメント：３，０００Kg（スラリー：2,500L ６３m分）• 後押し水量：HT‐400:7,000L, 8‐P‐80:10,075L• 70KSCまで昇圧
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第４回目トップセメンチング成果• トッププラグがランディングし，70KSCまで上昇。
• 脱圧後吊り管撤去。
• セメント頭部 ４１４．３０m• プラグ頭部 ４８０．６０m（プラグ下１２．６mはセメント無し）• ライナートップまで浚渫し，耐圧５０KSCを確認した。
• 8‐1/2”坑エクセス０の場合で３８９m，１００％の場合で１９０m分のアニュラスにセメントが存在する可能性あり，１９０mの場合で４回目打設したセメントが深部貯留層に到着してる。
• 6‐1/4”トリコンビットで掘削時は逸泥は無かった。
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９ー5/8"ケーシング

後押し水セメントスラリー

後押し水

セメント：３，０００Kg
スラリー：２，５００L
スラリー比重：１．８０

トッププラグ

セメントスラリー
セメント：３，０００Kg
スラリー：２，５００L
スラリー比重：１．８０

セメントスラリー
セメント：１７，０００Kg
スラリー：１４，２１３L
スラリー比重：１．８０

トッププラグライナーハンガー

セメントスラリー
セメント：17,000Kg
セメントスラリー：14,213L
スラリー比重：１．８０

７”ケーシング

後押し送水時セメンチング終了時

４回目トップジョブセメンチング 図

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例４ コーン脱落

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脱落状況
24”坑 深度 483.20m 掘削中、トリコンビットコーン脱落

事故発

深度 483.20m

生ト ラ ブ ル 名

掘生

深度状・回転トルクが発

削深度

深度 483.20m

し数回揚降したが、坑底に到着するとポンプ圧が上昇し、掘削でき況であった。揚管したところ、３個のコーンが脱落していた。

ない・掘削編成：24”Bit(MZ30G)+11-1/4”DHM(W/20”SS)+9-1/2”Shock Guard +9-1/2”DC③+Sub+N.sub+8”NDC+N.sub+8”DC⑨+Sub+6-1/2”DC⑥+5”HWDP+5”DP

状生発況

マッドモーター：120rpm

・回転数

用・ポンプ送水量：3,885L/min
・Bit

使・泥水性質時間：180 時間
SG:1.09

TDS：40rpm

計 160rpm

ポンプ圧力：150KSC
掘削長

Vis:50 秒

194.30m

泥壁:1.2mm 脱水量:7cc

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pH:10

砂分：1.041ビットの信頼性

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例５ 異物回収

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回収状況

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⑥その他

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日報から読み取れる事項• 逸泥状況（数値及び泥材使用量）• 掘進能率（工程管理に必要）• ビットライフ• コスト（日数・材料他）• 地質状況（特記事項）• 温度状況（泥材使用量・泥水試験データ・泥水温度）• 坑跡予測（編成も含む）
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日報記載等での留意点
••
•
•
•
•
•
•
•
•

掘進能率が２倍以上の区間深度の記入
無荷重の区間深度の記入
逸泥時の深度・逸泥量・ポンプ圧の変化
浅部逸泥では河川への泥水流出の有無，深部の場合は，硫化水素等の噴出の把握
泥水温度の急な上昇深度
追降終了時の泥水回帰するまでのストローク
掘削中スクリーンから白いカッティングスが見られた場合の深度及びカッティングスの採取
掘削データの変化（トルク・荷重・ポンプ圧等）
逸泥後の重量変化
掘削設備の変化
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逸泥対策セメンチングの記録• セメントフラッシュ時・・・実施前の水位・ノズル位
置・先行水量・セメント量・スラリー比重・スラリー量・後押し水量• セメント硬化待機時・・・水位変化・浅部の場合河川への流出の有無や硫化水素等の噴出の有無• セメント浚渫時・・・セメント頭部・セメント硬化状
況・セメント浚渫終了深度・逸泥量• 総合判断・・・セメント注入量・逸泥対策効果の判定
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Bl

水位・セメント頭部
逸泥箇所
逸泥量を記載令和元年度 地熱井掘削監督者養成講座

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貯留層付近の掘削状況
深度（ｍ）

逸泥量

ポンプ圧力 ビット荷重
備

開始

終了

区間

考

2（Ｌ／分） （Kg／cm ） （ｔｏｎ）

生
ザク揚げ時逸泥発～59→941.801,300

以深は、逸泥量の増減が1,600

55見られた。

2,00055

ザク揚げ中全量逸泥951.00

以深は、1,500L/minの逸泥
ポンプ圧力０ＫＳＣ
969.10969.40

0.30

2,000

0０～３
ドリリングブレ－ク有り

972.90973.100.20

1,500以上

0０～２

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無荷重掘削53

ご清聴ありがとうございました。

日鉄鉱コンサルタント

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