資料2-3

掘削技術
在来型地熱から 超臨界地熱まで
地熱発電・熱水活用研究会
2019年7月23日＠エンジニアリング協会
秋田大学 大学院国際資源学研究科
長縄 成実

在来型地熱発電と EGS・高温岩体発電

HydraulicFracturing

日経エコロジー（2010.07）

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

2

超臨界地熱開発プロ ジェ ク ト
 在来型地熱資源開発は、地層温度150～300°C程度
 深部の超臨界状態（温度374°C、圧力221 bar以上）にある高温かつ高エンタルピーの地熱水を利用できれば、大容量の発電が可能
 各国で技術開発が進められている世界の超臨界地熱開発
Iceland Deep Drilling
Project（アイスランド）
NEWGEN（アメリカ）
GEMex Project（メキシコ）

DESCRAMBLE
Project（イタリア）

経産省・NEDO超臨界地熱発電プロ ジェ ク トJapan Beyond-Brittle
Project (JBBP)HADES Hotter and Deeper
Project（ニュージーランド）地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

3

日本の超臨界地熱資源
太平洋プレートが日本列島の下に沈み込むときに引き込んだ水が超臨界状態（374°C、221 bar以上）で存在？

© AIST

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

4

国内超高温掘削「葛根田WD-1a」の実績
 NEDOによる深部地熱調査井（1995）

ThermalConduct ion
Zone

Hydrot hermal
Convect ion Zone

 深度3729 m、推定地層温度500°C以上

Kakkonda Granit e
Kasai et al. (2000)

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

5

葛根田WD-1aの地層温度と 掘削概要
 3100 m以深の地層流体は超臨界状態（＞374°C）
 地上の泥水冷却装置（開放型2台＋密閉強制型1台）により、180°C前後まで坑内を冷却して掘削
 逸泥、崩壊に遭遇
 逸泥のためH2Sガス発生を抑圧できず 最終ケーシング&セメン
チング深度は2,550 m（地層温度約370°C）
Muraoka (2004)

日本重化学工業 (1996)

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

6

やぐら
Derrickor Mast

ロ ータ リ ー掘削

ケリー
Kelly
ロータリーテーブル
Rotary Table 地層に井戸（坑井）を掘る（岩石を機械的に破壊）ビットに荷重を与える（十数tf）
 ビットを取り付けたドリルストリング（鋼管）を坑井

泥水ポンプ
Mud Pump

コンダクターパイプ
Conductor Pipe

スイベル
Swivel
ドローワークス
Drawworks
シェール
シェーカー
Shale Shaker

暴噴防止装置Blowout Preventer(BOP)

内に吊り降ろしその自重を利用


ビットに回転を与える（100 rpm前後）
 ドリルストリング（ドリルパイプ）ごと地上で回転（ケリードライブ／トップドライブ） 傾斜掘削のときはビットだけ回す（マッドモーター）

セメントCement

ケーシングパイプ
Casing Pipe

 坑井が埋没しないように、岩石の掘屑（ほりくず、泥水（でいすい）の循環

ヘビーウェイトドリルパイプ
Heavy Weight
Drill Pipe (HWDP) 出水を抑え、坑井が潰れないように保持する

坑内の流体圧と地層の圧力をバランスさせる 噴出防止装置（BOP）を用いた抑圧作業
 ケーシング（鋼管）の挿入・セメントで固定

ドリルパイプ
Drill Pipe

中間ケーシングIntermediate Casing

カッティングス）を地上へ運び出すサーフェスケーシング
Surface Casing

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

ドリルカラーDrill Collar
ボトムホール
アセンブリ
Bottomhole
Assembly (BHA)

ビット
Bit7

超深度掘削と 地熱掘削の温度・圧力条件の比較
 1990年代に掘削された超深度坑井
ロシアコラSG-3（12.2 km）
 ドイツKTB（9,583 m）
 新潟基礎試錐（6,310 m）
 地熱井の温度は格段に高い
高温地熱井は300°Cを超える 国内石油井での最高地層温度は238°C、KTBでも260°C
 当然、地質も異なり、掘削し難さの程度や種類も異なる
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

8石油・天然ガス掘削と 地熱掘削の相違点
石油・天然ガス
地熱温度
石油業界の「高温」は 深度1000–2000 mでも250–350°C 
200°Cを少し超えた 高耐熱の坑内機器あるいは泥水循環による坑内冷却システムが必要
ぐらい
基盤岩／火成岩  低掘進率
地層
堆積岩
高圧層  高比重泥 一般的に低圧層  低比重、場合によっ圧力水が必要ては空気混合泥水が必要
頻繁に逸泥層に遭遇  セメントプラグに逸泥逸泥防止剤（LCM）よる対処が必要
カッティングス 高傾斜井では困難低比重泥水が使用されるので、岩石掘屑と泥水の比重差が小さく、より困難
運搬・ホールク
リーニング
地層流体フィールドによって腐食性・高毒性のCO2 and/or H2Sガスへの対処が難しい（低比重泥水のため抑圧CO2 and/or H2S
作業が困難）
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

9石油・天然ガスと 地熱の坑井掘削費の比較

Schlumberger Business Consulting (2008)
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

10

地熱井掘削の課題
 掘削費は地熱開発の約40%を占める
 高コストの要因

高温
 逸泥
 硬質岩
 腐食・浸食（摩耗） 誘発される掘削トラブル

ドリルストリング破断
 埋没・抑留 ケーシング破壊 キック・暴噴掘削費, 30.1%
Schlumberger BusinessConsulting (2008)

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

11

坑内機器およ び材料の耐熱性能の変遷
 時代とともに耐熱性能は向上し、200°Cを超える温度で使用可

能な坑内機器・材料は現状でもいくつか存在する
 総合的にみれば175°C程度が安全に掘削できる温度限界か
0100200180

ロ ーラ ーコ ーン ビ ッ ト190PDCビ ッ ト
マッ ド モータ ー（PDM）
マッ ド モータ ー（タ ービ ン ）
MWD

300

400

500 °C

288

350
135

175 190

160125315
150

水系泥水（高比重）

180

水系泥水（低ソリ ッ ド）

200

350

230
250

300
300
1985

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

1996

2014
12

泥水循環によ る 坑内冷却

地上泥水冷却装置
http://www.drillcool.com

Source: Occupational Health andSafety Code 2009 Explanation Guide

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

13

12-1/4"坑深度3000 m掘進中
0100

Temperature (°C)
200
300
400

500

0
地層温度
水（DP内）500

水（アニュラス）
泥水（DP内）Well Depth (m)1000600

 深度3000 mまでは、対流熱伝達が優位であり、最大地層温度は沸点曲線にほぼ従う

泥水（アニュラス） ポンプレート2000 L/min

1500
2000
2500
3000
3500

超臨界域

で常時循環すれば、坑底温度を200°C前後まで冷却することが可能
 在来型の高温地熱井の掘削が、既存の坑内機器・材料で対応可能であることが分かる

4000
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

14

「葛根田WD-1a」坑井の地層温度プロ フ ァ イ ル
8-1/2"坑TD 4000 mを 掘削中
0100

Temperature (°C)
200
300
400

500

0
地層温度
水（DP内）500

水（アニュラス）
泥水（DP内）Well Depth (m)1000

泥水（アニュラス）

1500

600

 3100 m以深の地温勾配は約28°C/100mと非常に高温
 標準的なポンプレート2000
L/minで循環すると坑底温度は400°Cに達する

2000
2500
3000
3500

超臨界域
4000
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

15

「葛根田WD-1a」坑井の地層温度プロ フ ァ イ ル
ポン プレ ート3000 L/min（標準の1.5倍）
0100

Temperature (°C)
200
300
400

500

0
地層温度
水（DP内）500

水（アニュラス）
泥水（DP内）Well Depth (m)1000

泥水（アニュラス）

1500
2000
2500
3000
3500

超臨界域

600

 3100 m以深の地温勾配は約28°C/100mと非常に高温
 標準的なポンプレート2000L/minで循環すると坑底温度は400°Cに達する
 ポンプレートを3000 L/minにしても坑底温度は300°Cを超える 1625-DEや「ちきゅう」クラスの泥水ポンプが必要
 高循環レートでは，坑壁不安定・逸泥が助長される

4000
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

16超臨界域（延性，熱伝導）の地温勾配が小さ い場合
ポン プレ ート3000 L/min（標準の1.5倍）
0100

Temperature (°C)
200
300
400

500

0
地層温度
500

水（DP内）水（アニュラス）

Well Depth (m)1000

泥水（DP内）泥水（アニュラス）

1500
2000
2500
3000
3500

超臨界域

600

 IDDP-2の超臨界域の地温勾配は，葛根田よりも若干マイルド
 ポンプレートを3000 L/minにしても坑底温度は200°Cを超える
 掘削中の坑底温度は，超臨界域での温度プロファイル（地温勾配）に大きく影響される
 セメンチングなどの他のオペレーション中の坑内温度予測も重要

4000
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

17

逸泥（Lost Circulation）
 地熱地帯は低圧層、天然き裂・断裂帯が存在
部分逸泥（小・大）、全量逸泥 LCM、セメントプラグによる対処
 全量逸泥では盲掘り、マッドキャップ
 非常に多くの時間が使われる
 H2S、CO2ガスの坑内への流入

低圧層・逸泥層の存在、超高温のため高比重泥水を使用した抑圧が不可 ガスモニタリングが重要
 H2Sを処理する地上設備が必要 逸泥による坑内泥水圧の低下がキッ

http://www.emersonprocess.com

ク（溢泥）・暴噴を誘発する危険
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

18

石油掘削の典型的な泥水比重コ ン トロ ール
Equivalent Mud Weight (SG)
1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

Measured Depth (m)Overburden
Pressure

 石油掘削は高圧層
 泥水比重を地層圧より大きくし、高圧層pse (Brepe
Collapse(Breakout)
3000からの流体流入を
ureu
Pressure
Minimum
抑える
Horizontal
Stress3500
 泥水比重が地層破Fracture
Pressure13-3/8” CSG
F
壊圧を超えないようoPo rmrePreationに適宜ケーシングでssu
4000
re
坑壁を保護する
9-5/8” CSG
 構造応力を考慮しMud Weight
4500
Upper Limit
た場合は泥水比重
Mud Weight
Lower Limit
ウィンドウはより狭く
8-1/2”
Open Hole
5000
なる（ジオメカニクス
10121416182022
Pressure Gradient (kPa/m)
的アプローチ）
SHmax

Shmin

Fracture

Mu d W in d ow

Breakout

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

19

超臨界地熱掘削の地層温度・圧力の想定

地層温度

地層圧力

超臨界域温度 浅部では地熱地帯特有の対流熱伝達＝ BPD曲線 深部、超臨界・延性帯に入ると熱伝導＝ 一定地温勾配
 不透水層・低浸透率層では熱伝導圧力
 最大岩圧（Overburden/Lithostatic）は60 MPa以上 最大地層圧（Formation Pore
Pressure/Hydrostatic）は23～30 MPa
 破壊圧は最大50 MPaぐらいか？
地熱流体
 pH 3程度の強酸性腐食環境
 超臨界状態での地層水の密度は0.35g/cm3程度か？
地質・深度
 地質構造は地域に大きく依存 具体的な深度情報は今のところ無し

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.2320水の密度の温度依存
 石油・天然ガス井では問題にならないほど、高温地熱井の地層水の密度は小さくなる ⇒ 低地層圧

飽和蒸気圧曲線

http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_density.html
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

21

超臨界地熱井の泥水比重コ ン トロ ール 天然き裂・断裂層があれば容易に逸泥が発生する
 超臨界地層流体の密度が極端に小さいと、地層破壊圧が小さくなり、清水掘削でも地層破壊（き裂発生）が起こり得る
 石油・天然ガス掘削とは違った概念・手法での掘削が必要ではないか？
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

22

硬岩掘削
 ローラーコーンビット（トリコーンビット）

ミルドツース（スチールツース）またはタングステ
ンカーバイドインサート 回転部に潤滑油・弾性体シール材
 PDCビット

PDC（Polycrystalline Diamond Compact）カッター

 従来は、硬質かつ高研摩性の地熱地帯地層（安山岩、花崗岩）にはインサートビットが第一選択肢(a) ローラーコーンビット
圧縮粉砕＆切削作用(b) PDC ビット
せん断作用

Source: Baker Hughes Bit Catalog

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.2323

耐高温ビ ッ トの開発
 Baker Hughesによる300C耐熱傾斜掘削システム（メタルシールインサートビット） JOGMECによる地熱井用PDCビットの開発

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

24

熱衝撃破壊掘削ビ ッ ト Thermal-Shock Enhanced Bit

Sliding Sleevewith Port Valves

Venturi Nozzle

ベンチュリノズルとポート開閉用ス
ライド式スリーブをPDCビットに内蔵
掘削モード
 PDCカッターで通常掘削

Center Line
ReverseCirculatin
LineOriginal BitNozzle LineCenter Suction Port

吸い込みラインへポートを切り替える
減圧モード
 ビット直下での圧力減少および掘削流体の沸騰・蒸発 気化潜熱による温度低下が岩石の熱衝撃破壊を誘発 岩石強度の脆弱化

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

25

アイ スラ ン ド 深部掘削プロ ジェ ク トIDDP-2
 アイスランド南西部

Reykjanes地熱発電所内の深度2500 mの既存生産井
RN-15を5000 mまで増掘する計画
 2016年8月11日開坑
 2017年1月25日、深度4659mで掘り止め
坑底温度：427°C
 坑底圧力：340 bar
KraflaIDDP-2(2016-2017)

 全量逸泥のため3,000 m以深は盲掘り
 抑留気味で掘り止め

IDDP-1 (2008-2009)

Hengill

IDDP-3 (2022-)
Proc. WGC (Ármannsson et al., 2015)

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

26

アイ スラ ン ド の自然｜間歇泉、滝、地溝帯

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

27

アイ スラ ン ド 深部掘削プロ ジェ ク トIDDP-2

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

28

IDDP-2でのケーシン グパイ プ損傷
 IDDP-2掘削報告書より

The production casing was damaged between 2,307-2,380 m depth
adjacent to the former main feed zone of the old RN-15
production well at 2,360 m
 Downhole logging showed that fluid was leaking into the IDDP-2
hole at that depthReykjanes地熱地域
でのケーシング圧壊
事例

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

29

IDDP-2注水作業に用いた掘管の腐食

出典：NACE-2019-13247

地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

30

宇宙開発にも 匹敵する 困難への挑戦
1960年代初頭、米国ケネディ大統領がアポロ計画を表明“... before this decade is out, commit to achieving the goal of landing aman on the Moon and returning him safely to the Earth”
国際宇宙ステーションの高度
400 km

月までの距離384,400 km
最も深い井戸の深度
12 km
地球の半径
6,400 km
Iceland Deep Drilling Project (IDDP)
地熱発電・熱水活用研究会 2019.7.23

31