0平成２７年度事業成果報告会資料

地熱発電技術研究開発事業

地熱貯留層掘削技術への取り組み
地熱部地熱技術課

2016年6月3日

地熱貯留層掘削技術
背景および目的1

 3万kWの地熱発電所建設に係るコスト試算例

地表設備（発電タービンなど）（71%）［186億円］

地下調査と探査（28%）［73億円］

地表調査（3%）［2億円］
坑井掘削（97%）［71億円］

環境影響評価（1%）

地熱発電所 3万kWモデルケース
調査・開発

73億円

うち地表調査

2億円

坑井掘削

71億円

環境影響評価3億円

地上設備建設

183億円

総額

259億円

（地開協、第3回調査価格等算定委員会資料より）

地下の調査・探査に要するコストのうち、坑井掘削にかかるコストが大半を占める。
⇒坑井掘削のコストを抑える必要性⇒掘削作業を短期間で仕上げる⇒短期間にすることで機器損料を削減する

地熱貯留層掘削技術
背景および目的2

 掘削作業の短期間化を目指すには、掘進能率を向上させること。
 掘進能率を向上させるには、PDC※ビットが解決策のひとつとなりうる。
※PDC：Polycrystalline Diamond Compact（多結晶人工ダイヤモンド焼結体）

 1973年に実用化されたPDCカッターは、PDCビットとして石油井の掘削に実用化されている。従来から使用されてきたローラーコーンビットと比べ、PDCビットは掘削速度が速く、ビットライフも長い。
 この石油用のPDCビットは、地熱井の地層にマッチングする場合、しない場合があり、地熱に特化したPDCビットの開発が必要である。

地熱貯留層掘削技術
目標－地熱用PDCビットの開発

3

地熱井用
PDCビットを開発する。

PDCビット・PDCカッターをビットボディに埋め込んだビット・回転部分なし。

ローラーコーンビット
・坑井の掘削に広く使用されている。
・回転部分あり。

地熱貯留層掘削技術
技術的な課題 目標は、地熱井用のPDCビットの開発。これを達成するため、(1)PDCカッターの開発、(2)そのカッターを装着したビットの試作を実施。

 PDCカッターの課題
 耐摩耗性に優れていること
 耐欠損性に優れていること
 耐熱性に優れていること
 PDCビットの課題
 掘進能率が優れていること
 耐久性（ビットライフ）が優れていること

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地熱貯留層掘削技術
平成27～29年度スケジュール
項目

平成27年度

5
平成28年度

平成29年度(1)PDCカッターの開発

カッターの製作・評価 カッターの改良・評価

カッターの改良・評価(2)PDCビットの試作

カッター試験用コアリングビット製作

フィックスドカッタービッ
トの製作・評価

フィックスドカッタービットの製作・評価(3)PDCビットの実証試験

コアリングビットの室内試験・評価

室内試験
地熱フィールドにおける地熱フィールドにおける 試験
試験

地熱貯留層掘削技術
目標（平成27・28年度）
 平成27・28年度の本技術開発の目標は、地熱用のPDCカッターを開発すること。
 平成27年度はPDCカッターを用いたコアリングビット（右図）を製作し、室内実験によりPDCカッターの評価を行う。
 PDCカッターの平成27・28年度目標値
 一軸圧縮強度 200MPa（29,000psi）の花崗岩を使用して以下の最終目標値を設定する。
• 掘削速度：7cm/min（4.2m/h）• 掘進長：160m以上• 最大摩耗幅： 約4～5mm

6地熱貯留層掘削技術
目標（平成29年度末時点）

7

 平成29年度末時点における本技術開発の目標は以下のとおり（一軸圧縮強度が100MPa程度の地熱井を想定）。
 掘進能率： 通常の2倍程度
8-1/2in孔掘削の場合 60m/日⇒120m/日
 耐久性（ビットライフ）： 通常の5倍増
8-1/2in孔掘削の場合 150m/個⇒750m/個
8-1/2in孔長800mの場合（地熱井2000mの標準掘削）で、ビット交換の掘具揚降管回数を、5回から1回に削減する。

 成果の波及効果の見込み（8-1/2in孔掘削の場合）
掘削コストの低減 500百万円のうち、21～25百万円削減（4～5%減）
掘削期間の削減 約100日のうち、6～7日削減（6～7%減）

地熱井掘削用PDCビットの開発
宮下 庸介＊＊ 三菱マテリアル株式会社

株式会社クリステンセン・マイカイ
国立研究開発法人産業技術総合研究所
1

報告内容
 開発体制、実施内容
 PDCカッターの開発
 室内掘削性能評価（コアビット）
 岩石切削特性評価（PDCカッター）
 PDCビットの開発
 まとめと今後の予定

PDC : Polycrystalline Diamond Compact
多結晶ダイヤモンド焼結体
2

開発における各機関の連携
PDCカッター開発（三菱マテリアル）

PDCビット開発（クリステンセン・マイカイ）
3

掘削性能評価（産業技術総合研究所）

平成27年度実施内容
地熱井の掘削コスト削減に向けた地熱井掘削用PDCビットの開発【平成27年度】
・PDCカッターの試作
・PDCビットの試作・試作ビットの室内掘削性能評価
・工業所有権、技術動向調査4

報告内容
 開発体制、実施内容
 PDCカッターの開発
 室内掘削性能評価（コアビット）
 岩石切削特性評価（PDCカッター）
 PDCビットの開発
 まとめと今後の予定

5

ダイヤモンドの焼結①
PDC ： ダイヤモンドとCoの焼結体
Co-C eutectic line730

diamond252015graphiteお105001000

2000

3000

4000

Temperature (℃)

6Pressure (GPa)Pressure (GPa)

35

焼結領域

6diamond

5graphite

41200

1600

2000

Temperature (℃)

ダイヤモンド焼結における状態図

ダイヤモンドの焼結②
ネッキング
Diamond DiamondDiamond

溶融Co

ダイヤモンド粒子の焼結機構

7Diamond

超高圧発生装置
1. アンビル
2. シリンダー
3. 焼結素材
PDC原料（ダイヤモンドとCo等）／超硬合金
4. NaCl
5. グラファイトヒーター
6. スチールリング
7. ガスケット

超高圧装置によるPDC焼結方法の概要
8

PDCカッターの作製
ダイヤモンド粉末

原料粉組み込み

超高圧焼結

超硬合金基体超硬合金台金9PDCカッター研磨加工

取り出しPDCカッターの試作
PDC層
超硬合金
PDCカッターの外観（Φ8.2）
・開発PDCカッタ－
・市販品２種類（耐摩耗性重視型、耐衝撃性重視型）
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室内掘削性能評価へ

PDCカッターの組織耐摩耗性重視型(市販)

耐衝撃性重視型(市販)

20 μm

20 μm

開発品

黒色：
ダイヤモンド
白色：Co1120 μm

報告内容
 開発体制、実施内容
 PDCカッターの開発
 室内掘削性能評価（コアビット）
 岩石切削特性評価（PDCカッター）
 PDCビットの開発
 まとめと今後の予定

12

コアビット（Φ66mm×44.8mm）
PDC
カッター

13

室内掘削性能評価装置

計測・制御室
岩石供試体

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室内掘削性能評価装置【仕様】
ビット荷重：30 tf
トルク：300 kgf∙m
ビット回転数：500rpm
掘削流体流量：220L/min【掘削性能評価条件】●稲田花崗岩（一軸圧縮強度約220MPa）●掘進速度：
7cm/cm一定●ビット回転数100rpm
15掘削性能評価の様子

16ビット荷重の推移
60

耐衝撃性重視型

ビット荷重 [kN]5040

耐摩耗性重視型

3020

開発品

10001720406080
掘削長 [m]100120【結果】
1)掘削長の増大に伴って一定の掘削速度（7cm/min）を保つために必要なビット荷重は増加。
2)開発品を装着したコ
アビットが他のコアビットよりも低い。
（低いビット荷重で一定の掘削速度を維持できた）ビットトルクの推移
0.35
耐摩耗性重視型

ビットトルク [kN·m]

0.3

耐衝撃性重視型

0.25
0.20.15

開発品

0.1
0.05
0018

20

406080掘削長 [m]100120【結果】1)ビットトルクは耐摩耗性重視型が最も大きく、開発品と耐衝撃性重視型に大差はない

開発試作品の刃先状態
(a)

(a)

(b)

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【結果】
・開発試作品の刃先状態は、市販品(耐摩耗性重視型)と同程度。

・(a)では、ダイヤモンド層にチッピングが見られ、また肉眼で確認できる程度のクラックが発生・(b)では、PDCカッターに生じた(b) 摩耗面が超硬合金層にまで及んでいることを確認

報告内容
 開発体制、実施内容
 PDCカッターの開発
 室内掘削性能評価（コアビット）
 岩石切削特性評価（PDCカッター）
 PDCビットの開発
 まとめと今後の予定

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切削特性評価
最適な（切削抵抗が最小となる）レーキ角を検討
レーキ角
カッターの進む方向

切削抵抗の鉛直成分（背分力）

カッターの受ける抵抗（切削抵抗）

切削抵抗の水平成分
（主分力）

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切削特性評価結果

来待砂岩

千草安山岩

（一軸圧縮強度約 54 MPa）

（一軸圧縮強度約 185 MPa）

【結果】
・岩石の種類によって異なる切削特性
・岩種に応じたPDCカッターやPDCビットの開発のためには、より幅広い範囲のレーキ角での切削特性の取得が必要。
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報告内容
 開発体制、実施内容
 PDCカッターの開発
 室内掘削性能評価（コアビット）
 岩石切削特性評価（PDCカッター）
 PDCビットの開発
 まとめと今後の予定

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カッターの配置検討①

PDCカッターの周回軌跡を考慮したカッター配置の割り出し
24カッターの配置検討②25

PDCカッターへの負荷を均一化するための構造解析

掘削流体の流れの把握

流入面

3D 孔壁モデル
流出面

流体解析結果の一例
回転数600rpm
送水量1,200L/min
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PDCビット用モールド

PDCビット用のモールド試作品
27

PDCビットの試作試作したPDCビット（6-1/4inch）の外観
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報告内容
 開発体制、実施内容
 PDCカッターの開発
 室内掘削性能評価（コアビット）
 岩石切削特性評価（PDCカッター）
 PDCビットの開発
 まとめと今後の予定

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まとめ 開発したPDCカッターの掘削性能評価試験の結果、市販品と比較して、掘削長の増加に伴ってチッピングや摩耗が進展しながらもビット荷重の増加は少なく、ビットトルクは同程度以下。
 PDCカッターの配置解析や掘削流体の可視化とともに、性能向上のため必要となる高精度なモールド製作手法を確立。その結果として6-1/4”PDCビットを開発、現時点で良好な掘削性能を確認。
 今後の課題 摩耗状況等の分析による改良点の抽出や改良方法の検討
 PDCカッターの岩石切削抵抗データ等の蓄積によるレーキ角の最適化などの基礎データの蓄積、フィードバック これら成果を踏まえ8-1/2”PDCビットを開発、これらPDCビットを用いた地熱井掘削現場での実証試験に向けた検討30