地熱井の特徴とトラブル対策

2023年2月
株式会社ベッツ
阿部 剛
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石油・ガス井と地熱井の一般的な相違点
項目

石油・ガス井地熱井

地層圧

異常高圧層となることが多い

静水圧以下低い、低比重泥水で掘削

地層温度

深度5000ｍで200℃程度

深度1,000～2,000ｍで250～350℃

地質と掘進率

比較的軟質な堆積岩が多い
掘進率は高い硬質な火成岩類が多い
掘進率は低い産出流体

堆積岩の孔隙に胚胎する炭化水素

断裂中を流れる熱水

逸泥

高浸透性地層、圧力減退層、フラクチャー断裂部で発生し、頻度は高く、対策に長期で発生するが頻度は地熱井に比較して低い、間を要する。逸泥対策にはセメントを使用す
逸泥防止剤やセメンチングで閉塞できることがることが多い
多い

2

地層温度

（斉藤 他 1993）

3

地層温度

イタリア
Venelle-2（長縄、地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23 ）4

地熱井におけるケーシングプログラムの特徴

1. ケーシングのパイプを通して蒸気・熱水を生産
2. フルストリングセメンチング
3. 9-5/8”ライナー仕上げ、オーバーラップはセメントでシール

4. 最終7”ライナーはフリーパイプ、生産区間はスリット管
5. 低グレード（K55/J55）のケーシングを使用

5地熱井におけるケーシングプログラムの特徴

1. ケーシングのパイプを通して蒸気・熱水を生産
2. フルストリングセメンチング
3. 9-5/8”ライナー仕上げ、オーバーラップはセメントでシール

4. 最終7”ライナーはフリーパイプ、生産区間はスリット管
5. 低グレード（K55/J55）のケーシングを使用

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地熱井におけるケーシングプログラムの特徴

1. ケーシングのパイプを通して蒸気・熱水を生産
2. フルストリングセメンチング
3. 9-5/8”ライナー仕上げ、オーバーラップはセメントでシール

4. 最終7”ライナーはフリーパイプ、生産区間はスリット管
5. 低グレード（K55/J55）のケーシングを使用

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地熱井におけるケーシングプログラムの特徴

1. ケーシングのパイプを通して蒸気・熱水を生産

2. フルストリングセメンチング
3. 9-5/8”ライナー仕上げ、オーバーラップはセメントでシール
4. 最終7”ライナーはフリーパイプ、生産区間はスリット管5. 低グレード（K55/J55）のケーシングを使用

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地熱井におけるケーシングプログラムの特徴

1. ケーシングのパイプを通して蒸気・熱水を生産

2. フルストリングセメンチング
3. 9-5/8”ライナー仕上げ、オーバーラップはセメントでシール
4. 最終7”ライナーはフリーパイプ、生産区間はスリット管
5. 低グレード（K55/J55）のケーシングを使用

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坑口装置（ウェルヘッド）
石油・ガス井（陸上）スタックアップウェルヘッド

地熱井（George E King, 2009 ）（島田, 2018 ）

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坑口装置（ウェルヘッド）＿ エクスパンションスプール

Expansion
spool
Upper&Lower
master valve

Expansion
spool

Production
casing

SurfacecasingCasing Head
13-3/8”casing
20”casing

Conductor
casing11

地熱井にみられる特徴的なトラブル 逸泥 高温環境における掘削機器、泥水、セメントへの影響
 密閉空間の温度上昇による圧力膨張 水蒸気暴噴 温度サイクルによりケーシングに作用する熱応力
 地層流体による腐食、スケーリング

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逸泥

（新エネルギー開発機構 1986 ）（海外の事例：インドネシア Nugroho et al., 2017)13

掘削機材の温度限界（長縄、地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23 ）掘削機材を熱によってダメージせないよう循環による坑内冷却が必須

14高温環境におけるケーシング、セメントの強度低下

温度とケーシング強度の関係（New Zealand Standards NZS 2403:2015 ）温度とセメント強度の関係（高橋:2007）

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温度上昇による密閉空間の圧力膨張例）プラグをセットした時の温度（≒循環温度） ⇒ 地層温度

温度変化 50℃⇒120℃
流体の膨張圧＝体積膨張率 ｘ 体積弾性係数 ｘ ΔＴ
=0.66x10-3 x 2000MPa x 70 =92.4MPa≒940ksc（武村、地熱井掘削監督者養成講座:2019）

密閉空間の流体は温度上昇により高圧の膨張圧がかかっているので注意。
例）⚫ セメントやブリッジプラグ等でケーシング管内にできた閉鎖空間⚫ BOP密閉時の坑内⚫ セメント待機中のケーシング管内（from JAPEX）

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膨張圧によるトラブル事例

1. クロージングプラグを切削しやすくするために，その上部にスポットされたセメントがプラグ下に密閉空間を形成
2. ドリルアウト編成を降下するまでの間に坑内温度が回復し、密閉空間の圧力が上昇
3. セメントがドリルアウトされると密閉空間の圧力が急激に解放され、ドリルストリングが突き上げられる事故が発生
密閉空間の圧力上昇（地熱ハンドブック ）17

水蒸気暴噴地熱地域の特徴

坑内流体の静水圧が低い浅部において地層温度が非常に高く、沸点に達しやすい

大規模逸泥が発生しやすく、水位低下による静水圧の減少が起きやすい

暴噴対策
BOPで坑内を密閉後、ドリルストリングおよび坑口装置の袖バルブから清水を注入し、坑内を冷却することで水蒸気を抑制する。

坑内冷却は、清水の注水量が鍵となる
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水の飽和水蒸気曲線

250

圧力（KSC)

200150

水10050水蒸気00100200

300

400

温度（℃）

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水位低下に伴う沸点の低下
沸点（℃）
100

150

200

250

300

350

400

0

飽和水蒸気圧（水位0m）

全量逸泥による水位低下（静水圧の低下）

500

沸点の低下
深度

飽和水蒸気圧（水位500m）

1000

水蒸気暴噴
1500⒨

飽和水蒸気圧（水位800m）
2000

2500

地層温度

3000

20

水蒸気暴噴の事例（葛根田K6-2号井）１回目の暴噴深度277ｍ掘削中に全量逸泥↓
ストリング管動中に水蒸気暴噴発生↓
ＢＯＰを密閉（坑口圧力13ksc）
袖バルブから注水↓坑井を抑圧

2回目の暴噴BOPを開放↓注水しながら揚管（毎時107㎥ ）↓
深度47mで再び暴噴発生↓
ＢＯＰを密閉注水量（毎時157㎥ ）↓坑井を抑圧21（引用：斉藤清次：石油技術協会57巻2004）

水蒸気暴噴の事例
坑内で水が沸騰、生じる水蒸
気の泡がケーシング内を上昇

ケーシング内の泡が増すにつれ、坑内の水頭圧が低下

さらに下層部の沸点が下がり、一気に沸騰が促進

https://youtu.be/LtTUavyHSpo?t=12
Well blow-out at Ijen geothermal project, East Java,Indonesia（April,2020）22

作業ごとの坑内の温度変化
温度（℃）
掘削中の坑内温度
12-1/4“坑掘削後の温度

深度 ⒨8-1/2”坑掘削後の温度
噴出試験前の温度（地層温度）
噴出試験時の温度

坑井：N8－WZ-9 山葵沢（NEDO,1998）のデータ

23温度変化によりケーシングに作用する熱応力
温度

軸応力
引張

圧縮

⓪地層温度
①セメチング
深度②蒸気生産時③冷水の注入（New Zealand Standards NZS 2403:2015 ）24温度変化によりケーシングに作用する熱応力

両端固定を固定されたケーシングの温度変化に伴い発生する単位長さあたりの内部応力Pは以下の式で計算される

𝑃 = 𝐸𝛼𝛥𝑡Pα：応力（㎏/cm2）
Eα：弾性係数（2.1 x 105kg/cm2）
αP：鉄管の熱膨張係数Δt ：温度差（℃）（Maruyama et al., 1990）

鋼が1℃変化した時に生じる熱応力はP＝2.1 x 105kg/cm2ｘ0.1322ｘ10-4 ≒28 kg/cm2

25温度変化による圧力健全性（Well Integrity）への影響

ケーシングの膨張・収縮によるセメントの剥離
2重管部にトラップされた流体の膨張による圧潰
セメントの熱による経年劣化(James E. Nicholson, 1982)26

腐食とスケーリング
地熱資源の分類と主な蒸気・熱水成分➢ 蒸気卓越型

フラッシュポイント
でのスケーリングCl2やH2Sガスの含有量が多い
地層水による腐食➢ 熱水卓越型（熱水と蒸気が混じって噴出）
SiO2. CaCO3などのスケール分が多いほか, Cl-, SO42-,
金属イオン, As, H2Sなど材料の腐食に関係する成分が多い。

ケーシング内径の変化点でのスケーリング

孔食

炭酸カルシウムスケール (Thorhallsson, 2003)

腐食とスケールが起こる環境 (Snyder, 1979)27

仕上げ後の腐食とスケーリング① H2Sの影響✓ H2SがあるとH2Sと応力の共存による硫化物応力腐食割れ（SSC）が発生✓ 鋼材のSSC感受性は、強度の高いほど高く、温度が高い（80℃以上）ほど低い② CO2の影響✓ 湿潤下における炭酸ガス腐食が発生✓ 流体のpHを下げる③ pHの影響✓ 腐食反応を加速④ 塩素の影響✓ 炭素鋼の表面に生成する保護性被膜やステンレス系材料の不導体皮膜を破壊し孔食やすきま腐食を生じる原因✓ 応力との共存による塩化物応力腐食割れ（SCC)が発生
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仕上げ後の腐食（炭素鋼）
腐食を促進させる熱水タイプ➢ 塩化物濃度、CO2の分圧が高く、PHはやや酸性の熱水➢ 塩化物濃度やCO2分圧は必ずしも高くないが、PHが非常に低い熱水生産からわずか70日後にケーシングリークが発生

腐食速度とPHの関係 （池内, 1981）（Farison,地熱学会 2019）29材料選択による腐食対策

Temperature（℃）

300

200

100
12345

PH
PHと温度の条件における最適な材料（Sanada et., 1995）（Farison,地熱学会 2019）30

セメンチング（地熱井）

1. セメンチング前の逸泥対策

2. セメンチング中の逸泥防止、軽減策（スラリー比重の最適化、逸泥防止剤の使用、ケーシングデザイン）
3. フルストリングセメンチング、トラップ流体の防止
4. コンティンジェンシーセメンチングプラン（トップジョブ, バックフィルジョブ）
5. 地熱井セメントの使用（高温下での強度特性、硫酸塩に対する化学抵抗性)

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セメントスラリーデザイン（シック二ングタイム）

遅硬剤の添加量↑ シック二ングタイム↑

(15℃)

(38℃)

(60℃)

(82℃)

温度↑ シック二ングタイム↓

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セメンチング（送入法）
項目

長所

短所

プラグ式

作業時間が短い

事前に決まったセメントスラリー量を送入する
のでセメントスラリーの地表回帰を確認できない場合がある

インナーストリング式

セメントスラリーのリターンを確認してから作業を終了できる

深度が深くなるとインナーストリング揚降管に時間がかかる

アニュラス部にかかる圧力が低く逸泥を誘発させにくい。またWOCが短い。セメント上端部のリバースサーキュレーション
強度が改善されたとの報告あり。

手順が複雑であり、機材の特注が必要

E. K. Bett’s paper Geothermal Well Cementing, Materials and Placement Techniques (Bett, 2010)33

トップセメンチング（セメント補修）

Saito, S., 1994: A new advanced method for top job casing cementing.

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トップセメンチング（セメント補修）

Saito, S., 1994: A new advanced method for top job casing cementing.

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セメンチング作業注意事項（地熱井） 高温環境ではセメントの早期硬化を防止するため、セメンチング前には十分な循環し坑内温度を下げることが必要
 サーフェスケーシングは径が大きく、管内の泥水比重が低いこともあり、セメンチング中の浮力による浮き上がりに注意する
 サーフェスケーシングのトップジョブを行う際は、アニュラスの泥水は極力排除し、ウォータートラップの形成を防止する。スラリーは高比重、低遊離水を使用する
 セメント硬化待機中にケーシング管内に膨張圧力がこもらないように適宜圧力を払う
 逸泥が懸念される場合、ライナーセメンチング後のセメント排出に逆循環は行わない

 全量逸泥時は水位低下しているため、プラグバックセメンチングを計画する際は、スティンガー内外の圧力バランスに注意する

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まとめ

逸泥対策に費やす時間を削減することが重要

熱サイクルによる大きな温度変化や腐食を考慮したウェルデザイン
水蒸気暴噴への理解と事故防止業界内での技術情報の共有

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ご清聴ありがとうございました

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