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４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最後に：掘削計画について

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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

地層からのデータ

検層・カッティングス・MWD・日報など

ドローワークスエンコーダー，機械補機のデータ

ロギング的なものからのデータ

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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・・・エンコーダデットラインアン
カー・・・油圧計セン
サ

泥水タンク・・・温度センサ

横導管・・・フローセ
ンサ・温度センサ

テーブル（メカ二カル）・・・トルクセンサ

油圧装置（HPU）・・・
流量計・温度計

硫化水素濃度・・・携
帯式・定置式の硫化水素計測器

定置式硫化水素検知器・・・テーブル下・ドリラー・セラー・
シェーカー付近

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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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。

タンク水位・・・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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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
トラブル種類

重量計

小さな逸泥

沈降カッティ
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

ポンプ圧力若干下がる
下がる

回転トルク
場合によっては沈降カッ
ティングスによりトルク上
昇

暴 噴
減少

ドリルパイプのウ
オッシュアウト

泥水温度若干減少

若干下がる

減少

下がる

増加

上昇

揚管時や検層準備中などのポンプ停止時に発生することが多い。
場合によって進行が停止下がる
低下
大きさによって減少する

差圧抑留
ビットの不良管動不能

落下物による抑留

管動不能

回転不能

揚荷重増

場合によっては崩壊物によりアニュラス トルク上昇の閉塞による圧力上昇

崩 壊泥水量場合によっては上昇

圧力の高い貯留層

ツールス切断

掘進能率

変化なし
下がる

回転不能
変化あり

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備 考

最終的に切断
逸泥は無い

カッティングス増える

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逸泥について• 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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切断事故について• ドリルパイプの切断は，無理なトルクやビット荷重の過大によって発生する。ツールジョイントの摩耗を常に把握することやスリップエリアの傷が激しいドリルパイプを使用しないことが大切である。
• ドリルカラーの切断については，金属疲労が主な原因であるが，定期的なインスペクションによって防ぐことが可能である。
• 回収器具（オーバーショット，バスケット）は現場に準備しておく。オーバーショットについては，ドリルカラーのサイズから3/8in小さいものを回収出来るようにしておくことが重要。
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暴噴について（その１）• 暴噴は揚管時や検層終了後に発生する。
• まれにビット編成での注水時に発生する。
• 過去の掘削データ等の調査が必要となる。
• 暴噴の勢いは，坑内冷却の度合や貯留層の状況により異なるが，数分で地熱流体が櫓を覆うため，櫓上にいる場合は，即座に櫓外に避難することが 必要であり，噴出兆候を確認した直後にBOPを閉じ，坑内冷却を実施しなければならない。

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暴噴について（その２）• 地域によっては，比較的多く発生する場合もあるため，事前に坑口装置等検討が必要である。
• 蒸気に伴い，硫化ガスも発生するた
め硫化水素対策も必要となる。
• 貯留層圧力は比較的に低いため，圧力均等という考えではなく，坑内冷却が重要となる。そのため，補給水量が重要であり，少ない場合は，掘削編成の揚管は出来ない。
• 暴噴の恐れのある地域の場合は，BOPも遠隔で操作出来るようにする。

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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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⑤実際のトラブル例（例１：全量逸泥）・掘削状況
・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

47.2

47.7

50.1 50.2

52.5

41.6

32.0

31.0

48.0

49.4

31.0

30.032.0

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

7075

808590

95

100

105

110

115

120

125

130

135140

145

150

155

160

165

170

175

180

185

190

195

200

205

深度（ ｍ）

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26210

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。しかし，予想された箇所にセメントがないため，坑内の圧力モニタリングを実施して，施工方法を決定し対処した。
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圧力回復状況（測定深度：720.20m）

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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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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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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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°24”Bit(MZ30G)+11-1/4”DHM(W/20”S+Sub+UBHO+Sub+N.sub+8”NDC+N

例４ コーン脱落
6-1/2”DC +5”HWDP+5”DP

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24”TB

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脱落状況
No.６
ト ラ ブ ル 名24”坑 深度 483.20m 掘削中、トリコンビットコーン脱落

事故発生深度

深度 483.20m

掘削深度

深度 483.20m

・回転トルクが発生 し数回揚降したが、坑底に到着するとポンプ圧が上昇し、掘削できない状 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。
・掘削編成：24”Bit(MZ30G)+11-1/4”DHM(W/20”SS)+9-1/2”Shock Guard +9-1/2”DC③
発 生 状 況+Sub+N.sub+8”NDC+N.sub+8”DC⑨+Sub+6-1/2”DC⑥+5”HWDP+5”DP・回転数

マッドモーター：120rpm

TDS：40rpm

・ポンプ送水量：3,885L/min

ポンプ圧力：150KSC

・Bit

掘削長

使用 時間：180 時間

・泥水性質

SG:1.09

Vis:50 秒

計 160rpm

194.30m

泥壁:1.2mm 脱水量:7cc

pH:10

砂分：1.0・バスケットによるコーン回収を検討したが、坑跡が北側に向いていたため、プラグバックを行い、深度 452.00m からサイドトラックを行い、南向きに方向転換させた。
・サイドトラック編成：24”Bit(MZ30G)+11-1/4”DHM(W/20”SS Bent 1.5°)+9-1/2”Shock+Sub+UBHO+Sub+N.sub+8”NDC+N.sub+8”DC⑧+Sub+
6-1/2”DC⑥+5”HWDP+5”DP
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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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例６ ワイヤーラインでのトラブル
ワイヤーライン工法は，下記に起因するトラブルがある。
①ビットは回転するが，インナーチューブは回転しない。そのため計３個のベアリングが使用されている。
②コア詰まり時及びインナーチューブにコアが充満するとインナーチューブを回収する必要がある。
③掘削坑とロッドのアニュラスが小さい。

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ベアリング２個39

インナーチューブヘッドのトラブル＊地層が高温の場合や硫化ガスが出ている場合は，ベアリングの寿命が短くなる。
＊ベアリングが破損すると，インナーチューブの引き上げが不可能になり，ビットを引き上げる必要がある。
＊最近の強化ロッドは，肉厚にもなっており，ベアリング破損によるインナーチューブの抑留リスクは少ないと考えられる。
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インナーチューブセット時のトラブル＊地上部でロッドの中にインナーリューブ＋インナーヘッドを落とし込み，ロッドを継ぎ足しポンプで泥水を送り，ビット頭部にインナーチューブがセットされたのを確認してから掘削する。しかし，逸泥により大幅に水位が降下すると，落下速度によりビットを破損し，坑内トラブルとなる場合がある。
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インナーチューブ引き上げ時の暴噴＊ワイヤーラインは、ポンプ量が少なく，また間隙も小さい。LCMでの抑留もある。
＊そのため熱交換時間が短いため，坑内冷却はし難い。
＊インナーチューブ引き上げの際は一時的なスワビング現象を引き起こすので，暴噴に注意する。
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⑥最後に：掘削計画について• 掘削計画作成に必要な事項。
＊運搬路及び敷地造成計画＊ターゲット（坑井内の温度，逸泥の頻度，地質の状況，地熱流体の性質等）• ケーシングプログラム作成。
＊ケーシングシュー付近に逸泥がない事。
＊傾斜掘削をする地点（KOP）はケーシングシューから３０m程度深部にすること。
＊ビット径やケーシングの材質の選定。
＊ケーシングセメンチング工法やセメントスラリー性質の決定。
• 必要な場合は，回転トルク・引上荷重（トルク＆ドラッグ）の計算。

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43ケーシングの選定• 通常の場合
通常は，API規格の油井用鋼管のＪグレードが一般的である。浚渫や地熱流体の性状を考慮して肉厚を肉厚を決める。
• 高温や酸性熱水の場合使用条件が分かれば，金属分析の会社に外注し，腐食試験・応力割れ試験を行う。使用条件が不明の場合は，温度を考慮して応力解析をする場
合もある。
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ケーシングの応力解析（NGの場合）
内圧強度

9-5/8“ケーシング応力解析（J-55 バットレス)

緑線：注水時の応力

赤色：掘削時の応力

圧壊強度

圧縮強度

引張強度

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ケーシングの応力解析（材質変更後）
内圧強度9-5/8“ケーシング応力解析（L-80バットレス)

緑線：注水時の応力
赤色：掘削時の応力

圧壊強度

圧縮強度

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引張強度

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リグの能力選定• 掘削敷地・搬入路・掘削仕様によって決定する。
• 通常４００馬力・１，０００馬力のドローワークスのリグが主に使用されている。
• 上記リグは，運搬費を含め掘削費用が大きく異なる。
• 上記リグで無理な場合は，１,５００馬力になる。
• ポンプについては，通常ライナー交換で対応可能である。
全量逸泥すると取水量の制限でポンプ能力に余裕が出てくる。
• 回転トルクについては，モーターの使用・TDSの使用も検討に値する。しかしTDSはドローワークスの能力を圧迫することもある。
• 事前にトルク＆ドラッグの計算を実施する。
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トルク＆ドラッグ• 傾斜計画通りであれば問題ないが，角度変換区間が増加したりドグレグ値が高いとトルク＆ドラッグが高くなる。
• 口径が実口径より大きくなると，トルク＆ドラッグは小さくなる傾向がある。
• スタビライザーの変更による影響は小さい。
• 掘削中，定期的に掘削口径・摩擦係数を実際に合わせることが重要である。
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ドラッグ解析（初期設定）
フックブロック・TDS重量：22.68トン

ドラッグ：86.09トン
トルク ：6,682 ft-lbf係数
CASING内摩擦係数：0.25
裸坑部摩擦係数：0.50
EXCESS :10%

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ドラッグ解析（実績解析）
フックブロック・TDS重量：22.68トン

ドラッグ：105.44トン
トルク ：14,170 ft-lbf係数
CASING内摩擦係数：0.60
裸坑部摩擦係数：1.00
EXCESS :10%

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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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