令和4年度 JOGMEC 地熱井掘削監督者養成講座

掘削技術概論エスケイエンジニアリング株式会社
菅野 俊

SK Engineering

SK Engineering

目次
1.

掘削技術の歴史

2.

ロータリー掘削の原理
2.1 ドリルビット
2.2 掘削泥水
2.3 ケーシングパイプ
2.4 セメンチング

3.

リグ（掘削装置）
3.1リグホイスティングシステム
3.2 ケリードライブシステム/トップドライブシステム(TDS)
3.3 マッドポンプ、ソリッドコントロール装置
3.4 噴出防止装置
3.5 ドリラーズコンソール

4.

傾斜掘り
4.1 傾斜掘りの基本原理
4.2 傾斜掘りの応用

5.

石油探査と地熱開発の違い

6.

抑留トラブル
5.1 抑留の原因
5.2 抑留防止対策
5.3 抑留後の対処

7.

まとめ
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1. 掘削技術の歴史
掘削技術の歴史••1859年 米国ペンシルベニア州でドレークが最初の油井掘削に成功（深度は21m）。その際に用いられた技法は、ケーブルの先につるしたビット（歯）をシーソーで上下動させ岩石を砕き、砕いた岩石は後ですくい取る方法（ケーブルツール掘削）。ドレークは、井戸が崩れて埋まらないようパイプを突き刺してその中を掘る方法を考案した（ケーシングパイプ使用の始まり）
1901年 米国テキサス州スピンドルトップの丘で、アンソニー・ルーカスとハミル兄弟がロータリー掘削機と泥水を使用して井戸を掘り、深度300mにて油を発見（噴出）ケーブルツール掘削機
ケーブルツール掘削概念図•

その後今日まで、掘削の技術や機器の進歩は目覚しいが、基本的な掘削方式としてはロータリー掘削が用いられている（地質調査や温泉掘削などに用いられるスピンドル方式も広義にはロータリー掘削のひとつ）✓ 日本においても、1800年代後半に千葉県で竹製の櫓と鉄棒を用いた「上総掘り」と呼ばれる突き掘り工法が生まれ、360m以上の掘削が可能であった
上総掘りの装置

ロータリー掘削で油発見！

2. ロータリー掘削の原理••••

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長さ約9m(30ft)のパイプを繋ぎ、パイプ先端に取り付けたビット（歯）に荷重と回転を与えて岩石を破壊して掘り進む
繋いだパイプとビットを通して掘削泥水を循環させ、掘り屑を地上で回収する
ある程度掘り進んだら坑壁を保護するためのケーシングパイプを挿入し、一段小さいビットでさらに掘り進む
この工程を目的深度に到達するまで繰り返す

各種ビット(歯)陸上掘削リグ概念図
ロータリー掘削概念図

ドリルパイプ2.1 ドリルビット••••

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岩石の硬さは様々（砂岩、泥岩、火山岩、深成岩など）
歯先の材質も様々（鋼鉄、タングステンカーバイド、天然ダイヤモンド、人工ダイヤモンド）
岩石によって、最適な破壊形態は異なる（圧縮破壊 vs. せん断破壊）
地質に合った最適な（速くて耐久性のある）ビットの選択が、工程短縮に大きく寄与する

摩耗したビット5

2.2 掘削泥水

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泥水とは？
• 泥水 = ベース流体(水 or 油) + 加重剤(バライト) + 増粘剤(ポリマー、ベントナイト) + 各種ケミカル(坑壁安定剤, 潤滑剤, etc.)
掘削泥水の役割• ビット歯先の洗浄・冷却• 掘り屑（カッティングス）の地表までの運搬• 坑内の圧力制御（地層圧＜泥水柱圧＜地層破壊圧）✓ 地層圧：地層の岩石粒子間に存在する流体の圧力✓ 地層破壊圧：地層に亀裂が生じる圧力••••

泥壁形成による坑壁の崩壊防止
ドリルストリングの冷却・潤滑・抑留防止
泥水検層（マッドロギング）による地層評価
浮力によるドリルストリング等の重量軽減

泥水の種類• 水系泥水（WBM：water-based drilling mud）
• 油系泥水（OBM:oil-based drilling mud）
• 合成泥水（SBM：synthetic-based drilling mud）

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2.3 ケーシングパイプ

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ケーシングパイプの役割• 坑壁崩壊防止だけでなく、高圧層･低圧層の保護、坑口装置のベース、トルク･ドラグの減少といった役割がある

ケーシングパイプ設置の流れ

ケーシングデザイン• 内圧、圧潰、引張り、腐食について、坑井寿命で想定されるあらゆる負荷に耐えるよう設計する• 特に地熱井では、硫化水素による応力腐食割れが問題となる
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2.4 セメンチング

セメンチングの目的• 坑井内に降下したケーシングパイプと坑壁との間隙にセメントを充填し、ケーシングパイプを固定・保護すると同時に、地層流体の侵入を遮断する• スラリー送入中は流動性を保ち、送入完了後に急速に固化するように、ラボテストにて添加剤の量を調整する
セメンチング作業の流れ① スペーサー送入、ボトムプラグ投下、セメントスラリー送入② ボトムプラグがフロートカラーに到達、ボトムプラグからセメントスラリー排出開始③ 計画量のセメントスラリーを送入し終わったらトッププラグを投下、泥水で後押し④ トッププラグがボトムプラグに到達し、圧力が上がりセメンチング終了①②③④

ステージセメンチング

セメントケーシング
泥水
トッププラグ
ボトムプラグ
地層スペーサー8

3. リグ（掘削装置）

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リグとは？
• 掘削・改修・廃坑作業を行うための機械設備をまとめてリグと呼ぶ

陸上掘削リグ概念図

3.1 リグホイスティングシステム

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クラウンブロック

トラベリングブロック

ドローワークス10

3.2 ケリードライブシステム/トップドライブシステム(TDS)

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どちらもドリルパイプに回転を与えるシステム
TDSはフックブロックと共に上下動し、付属のモーターで下部に接続したパイプを回転させる
ケリードライブシステムはトータリーテーブルが回転してケリーにトルクを与える
TDSのメリット：揚降管中に必要になればいつでもパイプを回転させることができる

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3.3 マッドポンプ、ソリッドコントロール装置

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マッドポンプ

ソリッドコントロール装置

地表と坑内を泥水循環するための高圧、高流量ポンプ

循環泥水中のカッティングス(掘屑)を回収する装置

坑径や深度で必要な吐出量、吐出圧力は変わる

遠心分離で微細なソリッドを回収する装置もある

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3.4 噴出防止装置（Blowout Preventer, BOP）

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掘削中に異常高圧層にあたり、泥水柱圧で制御できずにキック（地層流体の侵入）が発生した際に坑井を密閉する装置

チョークマニフォールド

BOPアキュームレーター

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BOPスタックの例

地熱井のマスターバルブ

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3.5 ドリラーズコンソール
ドリラーズコンソールで操作する装置•ドローワークス•TDS/ロータリーテーブル•

マッドポンプ•パイプハンドリング装置•噴出防止装置

ドリラーズコンソールで監視できる情報•

ウェイトインジケーター（ビット荷重、フック荷重）•TDS/ロータリーテーブル回転数、トルク•

ピットレベル•

泥水リターン量•マッドロギング•

MWD(傾斜掘り)情報

•

etc.

ウエイトインジケーター

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SK Engineering

4. 傾斜掘りどんな時に傾斜掘りをするか

傾斜掘り計画•

障害物や人工構造物があり、真上に敷地をとれないとき

地上ロケーションからターゲットに向けて、最適な坑跡を計画する•

陸から海に向かって掘るとき••

海上プラットフォームから複数のターゲットに向かって掘るとき

坑径やケーシングセット深度を考慮の上、KOP(キックオフポイント)と増角率を設定する••

サイドトラックやリリーフウェルを掘るとき

トルク･ドラグシミュレーションを行い、リグの機器設備の能力内で掘削可能か確認する

4.1 傾斜掘りの基本原理
ダウンホールモーターの利用
泥水の流れでローターとステーターからなる動力部のシャフトが回転し、ドリルストリングを回転させることなく、角度のついたビット部分のみ回転させて掘り進む

SK Engineering傾斜･方位の測定方法
MWD(Measurement while drilling)センサー内の加速度計・磁力計が坑井の方位･傾斜を測定し、測定データは泥水を介した圧力パルスでリアルタイムに地表へ伝送する
方位･傾斜に加えて、掘進中に地層評価データ取得し伝送する技術もある（LWD – Logging while drilling）

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4.2 傾斜掘りの応用
水平井の掘削（Horizontal Drilling）•
その目的の多くは、油層とのコンタクトを長くして回収率を上げること•
高傾斜になるほど、坑壁とストリングの接触による摩擦力が大きくなり、パイプの降下や回転がしづらくなる

Closed Loop Geothermal System•
2本の坑井を地下で繋ぎ、流体を循環させて熱を回収するシステム•
Magnetic Ranging Technologyを用いて目標坑井に近づく•
枝掘りによる熱回収効率の向上が見込まれる

大偏距井の掘削（Extended Reach Drilling）•
高価な海上建造物を設置せずに沖合のターゲットにアクセスできる•
リグの能力、パイプや泥水の性能、ケーシング降下やセメンチングの技術など、あらゆる面で高度な技術と経験が必要（世界記録は2017年にサハリンで掘削された
全長15km、偏距12km以上の坑井）

Source：Eavor

Source： Halliburton

Source:kwantis
Source:Prime Horizontal

5．石油探査(陸上、海底下)、地熱開発の違い
石油探査(陸上)

石油探査(海底下)

地熱開発

••

•

•

一般に石油探査は、地下深くで熟成された炭化水素が長い年月をかけて上方に移動し、お椀状の不浸透性の岩石の下などに集積した構造をターゲットとしている
地殻変動の影響を受けた複雑な構造のため、地下の圧力が深度に比例しない「異常高圧層」に掘り込むケースが多く、圧力制御の面で難しさがある•

ターゲットは陸上石油探査と同様で圧力制御の面で難しさがある
加えて、水深が深い場合は上下左右に浮遊する掘削リグの定点保持が必要なことや、海底面下の低温域や陸上より割れやすい浅部堆積層への対策が必要となる

ｾﾐｻﾌﾞﾏｰｼﾌﾞﾙﾘｸﾞ

•SK Engineering

石油探査とは異なり、岩体内にき裂が発達した高浸透域をターゲットとしているので、「異常高圧層」の圧力制御よりも割れ目に掘削流体が失われることへの対策が重要となる
加えて、石油探査では経験しない非常に高温なエリアに掘り込むので、使用する機器や材料の高温対策に難しさがある

SK Engineering

6. 抑留トラブル
抑留（Stuck pipe）とは• 予期せずに、坑内でドリルストリングやケーシングパイプが動かなくなること

トラブル対策費用ランキング（出所不明）
Stuck Pipe
Hole Problems
Eval Equip Failure
Weather
Rig Repair
Drillstring Failure
Miscellaneous
Drlg Equip Failure
Lost Circulation
Cement Problems
Casing Problems
Well Control Problems
Directional Related Problems
BOP Equipment Problems
Wellhead Problems
0102030$1,000,000

405060SK Engineering

6.1 抑留の原因
差圧抑留

応力不均衡

地層圧に対して泥水比重が高すぎる＋浸透性の高い地層や厚い泥壁の存在

応力不均衡
未固結な地質
亀裂･断層

循環は可能なので、泥水比重を下げたり、潤滑性の高い流体をスポットして離脱を試みる

未固結な地質

亀裂･断層

ビット径落ちキーシート

軟弱な地層＋
高い増角率

いずれも坑壁の崩壊によりストリング周囲が閉塞されて動かなくなる。完全に閉塞されると循環できなくなる。
国内地熱井掘削では、水和膨潤性の高い粘土鉱物を含む蛇紋岩での崩壊が頻発している
一次的対策としては、強引、突き下げ、ジャーリングなどで循環経路を確保し、崩壊ザクを動かして循環経路拡大を試みる

揚管中にストリングが坑壁のハイサイドに接触していびつに拡げ、そこに径の大きいパイプが挟まり動かなくなる
基本的には突き下げにて離脱後、径浚いにて坑径拡大を試みる

SK Engineering

6.2 抑留防止対策
計画段階で出来ること

実施段階で出来ること• 地質情報やオフセットウェル情報をもとに、ハザードを認識• 逸泥層• 異常高圧層• 高浸透性の地層• 崩壊する地層• 断層など• 掘進編成の工夫• ドリルカラーの代わりにHWDP(Heavy Weight Drill Pipe)を多用する、スタビライザーの位置や数を最適化するなど• 出来るだけハザードを回避できるように、ケーシングセット深度を決定• 泥水タイプ、泥水比重の決定• 水系泥水（ベントナイト泥水、リグネート泥水、ポリマー泥水、その他高機能泥水など）• 油系泥水、SBM(Synthetic Base Mud)
• 逸泥層に逢着後の清水掘削可否• リグ能力の確認• 引張能力（巻き上げ能力、マストやサブストラクチャーの耐荷重、ワイヤー強度、使用するパイプの強度など）• 最大トルク、TDSの有無• ポンプ能力（容量、圧力）、地上タンク容量、配管の耐圧など• 泥水比重や性状の管理• ドリルソリッドやコロイドを取り除き、比重増加を抑える• 粘性、ゲル値、脱水量、PH、塩分濃度などの最適化により、薄く強靭な泥壁と、シアシニング特性（せん断速度が速いほど粘性低下する特性）を維持する• 速く掘る工夫• 最適なビットの選択（ツースビット、インサートビット、PDCビット）• 循環・ザク上げ時間の短縮• 付替え時の停管時間短縮など• ハイドロリクスの最適化、トリップを適宜挟むなどして、停滞ザクを排出し坑内状況を良好に保つ

SK Engineering

6.3 抑留後の対処
強引、突き下げジャーリング

差圧抑留の場合は、抑留離脱
流体の送入

サイドトラックを決断

フリーポイント
測定、バックオフ（ or セバリング）
フリーポイントインジケーター
抑留したストリングのトルクやストレッチを電気機械的に測定し、抑留箇所を推定するワ
イヤラインツール

ジャーが利かない場合は、バックオフ、ジャー編成で呼び継ぎ、ジャーリング

埋め立てセメンチング

サイドトラック

サイドトラックの方法• 裸坑 x 台座セメント• 裸坑 x ホイップストック• ケースドホール x ホイップストック

バックオフ
フリーポイント測定で判明した
抑留箇所より上部のネジ部に左トルクを与え、ワイヤラインでストリング内部に火薬を降下して衝撃を与えてネジを戻すことセバリング
火薬の衝撃でストリングを切断すること

ジャーの仕組み
設定荷重以上で強引すると内部のラッチが外れ、ハンマーが作動して衝撃を生み出す

ホイップストック(Whipstock)概念図

Weatherford
サイドトラック概念図

7. まとめ

SK Engineering

掘削の技術について• 元々米国陸上石油探査に始まり、 「より遠く（深く）、より速く、より安全に」を常に目指し、技術は発展してきた• 地熱開発においても、石油探査同様100年以上前から続く「ロータリー掘削方式」で坑井が掘削されている• 掘削の技術は、要素技術の集大成である
要素技術：ビット、パイプ、泥水、セメンチング、傾斜掘り、坑内機器、地上機器、etc.
掘削技術者の使命• 坑井掘削は地球への挑戦、毎坑井がチャレンジで毎日がエキサイティング！
• 要素技術への知見を深め、想定される状況に適した技術を選択する• 見えない地下の状況を事実に基づいて判断し、素早く決断する能力が求められる• コスト管理、人材管理含めた総合的なマネジメント能力が必要です（身につきます）• 目的に適う坑井を、速く、安全に掘削することが掘削技術者共通の使命