令和2年度
地熱統括部事業成果報告会

地熱貯留層掘削技術に関する委託研究
地熱井掘削における逸泥対策の開発
2021年6月
帝石削井工業株式会社
技術企画部 甲斐 貴博

目次1）逸泥対策技術の開発概要
2）平成30年度（2018年）業務内容と成果概要
3）平成31年度（2019年）業務内容と成果概要
4）令和2年度（2020年）業務内容と成果• 目的• 実証試験に使用したポンプと事前試験• 実証試験実施坑井-概要• 実証試験実施坑井-最終坑内図• 実証試験結果• 考察• トピック• ラボ試験内容• ラボ試験結果
5）逸泥対策技術の開発総括
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21）逸泥対策技術の開発概要
地熱井掘削作業においては掘削中頻繁に発生する逸泥対策に時間を要し、コストの増大に繋がっている。
本研究は逸泥対策に要する時間を短縮し、掘削コストを縮減することを目的とした。
平成30年度の成果として、独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構が平成28 年度に実施した「地熱井におけるセメンチング技術等の動向調査」の結果を元に地熱井への適用について3つの大きな項目を設定し、その中で検討や試験を実施した。その結果、土木分野で使用されている界面活性系水中不分離性混和剤（以下水中不分離剤）を添加したセメント（以下水中不分離セメント）が逸泥対策に効果的である可能性が示された。
そのため、平成31年度（令和元年度）と令和2年度に渡って実際のフィールドで水中不分離剤を添加した水中不分離セメント打設試験を実施した。
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32）平成30年度業務内容と成果概要• 土木分野では水中でのセメント拡散を抑える水中不分離セメントが用いられている。
• 地熱井の逸泥対策に使用できないか検討するために、アクリルパイプで作成した模擬坑井を用いて2種類の水中不分離性混和剤の地上試験を実施した。
• 骨材を添加した場合、逸泥に対して影響があるのか試験を実施した。
• 試験後に、硬化したセメントの一軸圧縮強度を確認した。

水中不分離剤の効果• 水中不分離セメントを使用すると模擬坑井の逸泥は止まった。
水中不分離剤なし
水中不分離剤あり• 骨材を添加することで逸泥は止まりやすくなった。
模擬坑井において逸泥が止まった様子• 骨材の添加量を増やしても逸泥の止まりやすさへの影響は少なかった。
• 逸泥層の大きさによって最適な骨材のサイズは異なる。
• 水中不分離セメントに骨材を添加した場合、骨材は分離せずに万遍なく広がって固まった。
• 水中不分離セメントを使用すると水と接する上部区間の圧縮強度が向上する傾向にあった。
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43）平成31年度実施内容と成果概要
低温度域の実坑井を用いた実証試験にて以下について確認した。
①水中不分離セメントを使用したセメンチングの具体的な作業方法の確立②実際の井戸での水中不分離セメントの挙動確認③打設したセメントの強度確認（打感による強度確認と一軸圧縮強度の比較）④水中不分離セメントの施工性の確認①実際に水中不分離セメントを坑井に打設し、具体的な作業方法を確立した。
②水中不分離セメントは坑井が逸泥していない状態ではあまり沈降せずにノズル位置から浅部に向かってコラムが立ち上がることが分かった。
③全体的な強度では水中不分離セメントは普通セメントより強度が低くなったが必要十分な強度であり、作業方法に問題が無ければさらに強度が高くなる可能性がある。
④水中不分離剤は現場での施工性に大きな問題が無いことを確認した。
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54）令和2年度業務内容と成果

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目的”水中不分離セメントを使用した逸泥対策の有効な施工方法の検証“「水中不分離性混和剤を用いた逸泥対策」について、平成31年度は低温度域の実坑井で実証試験を行った。
令和2年度では、より掘削深度の深い高温度域の実坑井で水中不分離セメント打設の実証試験を行った。
また、実証試験に伴い、地熱掘削の現場でも特段の準備をせずに水中分離セメントを使用できるように、通常地熱井掘削設備を用いた水中不分離セメント施工の方法を検討した。

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7実証試験に使用したポンプと事前試験
National JWS-340
形式：3連ピストンポンプ
最大吐出量：880ℓ/min（※ライナー径4-1/2”）
最大吐出圧力：264ksc（※ライナー径4-1/2”）
普段坑井改修工事やセメンチングに使用している一般的なピストンポンプである。
このポンプを用いて平成31年度に使用した配合組成の水中不分離セメントを問題なくポンプ出来ることを事前に確認した。
また、実証試験の際も実際にこのポンプを使用してセメンチングを行った。
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8実証試験実施坑井-概要
掘削深度：2667m
最大傾斜：44.41°
9-5/8”LH:349.7m
逸泥状況：初期逸泥量720ℓ/min以上
逸泥割合：1850m（15％）
2130m（22.5％）2280m+2391m（62.5％）
7”BC:1142.45m• 当初は1757mにて坑井が閉塞していたため、試験前に5-7/8”Bit編成にて2201.5mまで浚渫を実施し、その後砂利で2136.4mまで埋坑した。
スリット管頭部閉塞箇所:1757m:1614.9m

TD:2667m★懸案事項
坑内には7”CSG（スリット管）が挿入されているため、埋坑した際アニュラー部分には十分に充填されない状況が考えられる。

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9実証試験実施坑井-最終坑内図
最終TOC74.02m

最終セメント頭部：74.02m
セメント打設回数：計15回

セメンチング内訳※赤字が試験対象のセメンチングで、それ以外は埋坑セメンチング
・2130mの逸泥層で水中不分離セメントを3回・1850mの逸泥層で水中不分離セメントを4回↑地熱井セメント使用
・スリット管切れ目部分に普通セメントを1回7”BC:1142.45m↓普通セメント使用
・ベルカラー部分に珪砂を置いて普通セメントを1回
・9-5/8”CSG管内で挙動試験のため水中不分離セメントを1回・ライナーハンガー部分に普通セメントを2回・100mプラグセメンチングで普通セメントを3回
9-5/8”LH:349.7m

逸泥層:1850m
逸泥層:2130m

高温度域でのセメンチングとなるため、逸泥対策セメンチングの際には事前に冷却循環を実施して可能な限り坑内を冷却してからセメンチングを実施した。
※基本的にはセメント量を2トンでスラリーを作液したが、1850mの1回目と2回目及びスリット管切れ目部分に関してはセメント量を1トンとして作液した。

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10実証試験結果①2130m逸泥箇所での水中不分離セメント打設
結果• 3回の水中不分離セメント打設で少しずつ逸泥量は減少したが、逸泥を止めるには至らなかった。
• 逸泥ポイントから離れるに従いCSG内からのスラリー流出量が減少した。
• 逸泥量は当初の砂利充填時より24％減少
しているが、アニュラー部分は2130m以深の逸泥層とも導通していると思われ、2130mの逸泥層がピンポイントで閉塞したとは考えづらいため、2130m以深の逸泥層すべてで少しずつ逸泥量が減少したと思われる。
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CMT前逸泥量CMT後逸泥量

1回目

650ℓ/min597ℓ/min

2回目

597ℓ/min515ℓ/min

3回目

515ℓ/min494ℓ/minL/C 1850m③②2136.4m
砂利頭部L/C 2130m①TOC 1991.02m
コラム長：74.71m
TOC 2065.73m
コラム長：41.67ｍ
TOC 2107.40m
コラム長：29m

11実証試験結果②1850m逸泥箇所での水中不分離セメント打設
結果• 4回の水中不分離セメント打設で少しずつ逸泥量は減少したが、逸泥を止めるには至らなかった。
• 1回目と2回目の打設についてはセメント量を1トンで実施した。打設量に対してのコラムが短く、ほとんどがアニュラーに流出したと考えられる。
• 4回目に関してはノズル位置を坑底から100m程離して投下式セメンチングが可能であるか検証した。その結果、コラムは前回TOC位置から15.2m立ち上がっており、逸泥状況にある坑井では水中不分離セメントを使用した投下式セメンチングが可能であることが示唆された。
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CMT前逸泥量CMT後逸泥量

1回目

494ℓ/min469ℓ/min

2回目

469ℓ/min450ℓ/min

3回目

450ℓ/min380ℓ/min

4回目

380ℓ/min

350ℓ/min④L/C 1850m③②1873.64m
砂利頭部①TOC 1769.11m
コラム長：15.2m
TOC 1784.33m
コラム長：77.8m
TOC 1862.10m
コラム長：8.5m
TOC 1870.55m
コラム長：3.1m

12実証試験結果③9-5/8”CSG管内での水中不分離セメント打設目的• ノズル位置を坑底より50m程離して、逸泥が無い状態での水中不分離セメントを用いた投下式セメンチングが可能かどうか改めて確認した。
• 平成31年度は終始同一のポンプレートだったが、令和2年度はノズルからスラリーが出始めたらポンプレートを落としてノズル位置からの立ち上がり防止を図った。
結果• 43m分のコラムのうち32mがノズル位置より上に立ち上がり、10m程沈降した。
• 逸泥が無い状態では水中不分離セメントを用いた投下式セメンチングは難しいという事が改めて確認された。
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考察• 高温度域でも水中不分離セメントを用いた逸泥対策は施工可能で、一定の効果はあるものの、逸泥を止めるには至らなかった。
⇒循環により冷却された坑内から温度の高いフラクチャー内に水中不分離セメントが入り込んだ際に、熱によって水中不分離性が失われて流出してしまうことが原因ではないかと考えられる。
• 水中不分離セメントであれば打設後に坑内流体との比重差によって沈降することで投下式セメンチングを実施できるのではないかと考えており、地上試験でも水中不分離セメントが沈降する事を確認していた。しかし、実際には逸泥による坑底向きの流れが無いと投下式セメンチングは難しいという事が示唆された。
⇒流れが無い場合、ノズルから放出された水中不分離セメントは放出時の運動量を失ったタイミングで水中不分離剤の特性であるチキソトロ
ピーにより流動性が低下し、それがプラグのように働いてスラリーが浅部に向かって立ち上がると考えられる。
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トピック①スラリーポンプ時の圧力について
水中不分離セメントをポンプすると少しずつ圧力が上がり、最大で100kscまで圧力が上昇した。この圧力は総スラリー量が少なくなったり深度が浅くなっても大きな変化は無く、ポンプレートを下げると圧力が減少した。また、後押しをすると徐々に圧力が低下して1～2kℓ送ると概ね負圧となった。
⇒粘性が高い水中不分離セメントと、セメンチング配管及び水頭部分までのDPによる圧損が原因であると結論付けた。
※平成31年度の実証試験ではここまで圧力が上昇しなかったが、これは今回試験実施時のポンプの種類や、地上配管長および櫓下立上り長などが２倍ほどになったことが原因と考えられる。
国内掘削会社にアンケートを取ったところ、100ksc以上の圧力に対応したセメンチングポンプを用意しているのは7社中3社であった。そのため、各社での実施に際しては何らかの圧損低減策の検討が必要となる可能性がある。
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トピック②低温時の水中不分離セメントの性質
令和2年度は厳冬期での作業という事もあり、水中不分離セメント作液の際の溶解水温度は2℃程度だった。この溶解水を使用して水中不分離セメントを作液したところ通常時より明らかに流動性が低い状態となった。簡易的な室内試験を行ったところ、溶解水温度は最低でも15℃以上にしないと通常より流動性が著しく低下する事を確認した。そのため、本試験では水中不分離セメント作液前はジェットヒーターを使用して溶解水を25℃～35℃程度まで加温してから作業を実施した。

２℃の溶解水で作液した場合のスランプフロー
試験結果
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22℃の溶解水で作液した場合のスランプフロー試
験結果
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ラボ試験内容
実施試験• 実証試験配合組成検討および構築実証試験を行うにあたり、坑内に打設するセメントスラリーの配合組成を構築するための試験を実施し、計 4 種類の組成を開発した。
• 樹脂硬化時間測定装置を用いたシックニングタイム妥当性検討
平成31年度課題とされたシックニングタイムの妥当性を検証するため、㈱北浜製作所の樹脂硬化時間測定装置を用い、セメントスラリーの硬化時間を測定し、シックニングタイムで得られた結果と比較を行った。
• 高温度環境下における一軸圧縮強度試験
平成31年度構築した普通ポルトランドセメン
トを用いた配合組成の高温度環境下（坑底静置温度（ BHST ）で 160 ℃）における一軸圧縮強度を測定した。
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樹脂硬化時間測定装置外観

測定後の状況

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ラボ試験結果• 最高で坑底静置温度 220 ℃、坑底循環温度 110 ℃まで対応した4種類の水中不分離セメントの配合組成を構築し、各種試験データを取得した。
• シックニングタイムと同様、試験開始時より一定期間は低いコンシステンシーを示すが、数時間経過後にコンシステンシーの上昇が進行する傾向を樹脂硬化時間測定装置でも確認した。
• 普通ポルトランドセメントと水中不分離剤を併用した組成においては、樹脂硬化時間測定装置で計測した硬化時間がシックニングタイムよりも短くなる傾向を確認した。
• 160℃の高温度環境下においても水中不分離剤の有無によらず、十分な初期（ 8 時間養生後）の一軸圧縮強度が発現することを確認した。
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185）逸泥対策技術の開発総括• 水中不分離セメントは逸泥対策において一定の効果が見込めることを確認した。
• 水中不分離セメントを使用したセメンチングの作業方法を確立した。
• 地上での施工性を考えると界面活性系水中不分離性混和剤が有効であることを確認した。
• 水中不分離セメントは作業手順を工夫することで、低温度域から高温度域のフィールドまで地熱井掘削で通常使用されている設備で施工が可能であることを確認した。
• 水中不分離セメントの性質や挙動、活用については研究の余地がある。

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