令和５年度

地熱井掘削監督者養成講座

地熱井掘削におけるカッテイングス分析について－オンサイトでの坑井地質調査を中心に－

独立行政法人エネルギー・金属鉱物資源機構
地熱技術部
荒井 文明
（1992.4：日本重化学工業㈱入社、2023.3：地熱エンジニアリング㈱退職）

仕事場と道具（現場）カッティングコラム

掘削試料（カッティングス）掘削試料（コア）【引用】地熱エンジニアリング㈱提供資料

掘削とともに 現場を支える 地質屋 とは
地質屋：掘削によって採取される地下の岩石等を調査する者（カッティングス・コア、浚渫物、噴出物etc）

タスク：調査結果の迅速な判断・報告 ＝

円滑な掘削工事現場では、掘削技術者と色々な情報交換・情報共有
現場では、安全第一でプロジェクトを成功に導く助成
地下モデルの再構築を続け、適切な開発・管理に重要な仕事

地質屋に求められることどんな情報の取得・整理が必要か？
▶ 安全な掘削・開発のための地下温度や地質情報（断層・崩壊など）どうすれば早く的確な情報を出せるのか？
▶ オンサイト調査、ドリラーとの日常コミュニケーション
どのようにドリラーや現場代理人に報告すればよいのか？
▶ 次の判断を素早く決定できるように！
開発や事業をすすめるうえで必要なことは？
▶ 地元理解の得られる行動を常に心がける

岩相変化を一目で見易くする
カッティングコラム
深度 70m
深度 80m

熱水により白色粘土に変質した安山岩溶岩

深度 90m
深度 100m

1cm

深度 110m
深度 120m

・カッティングスの大きさは数mm程度と細かい。５m掘削する毎に採取・保管されていることが多い。
・カッティングコラム：カッティングスをアクリル板に貼り付けたもので，岩石の種類、変質状況などを視覚的にわかりやすい。
【引用】地熱エンジニアリング㈱提供資料

カッティングコラム

オンサイトでの重大事故を防ぐための
坑井地質調査時 リスクマネジメント「decision tree」の簡易版の一例
暴噴、孔壁崩壊、強酸性・溶融硫黄障害▶オンサイト坑井地質調査者へのOJTのために作成

BOP使用
注水冷却
高比重泥水

BOP使用
注水冷却
高比重泥水

★掘削地点の推測されている地下状況に応じて、事前に作成し、共通認識を持っておく（どのようなリスクが発生しうるか事前予測）

①暴噴

BOP使用
注水冷却
高比重泥水
協議事項

＊地熱流体のガスは、たいていCO2≫H2S
ガス検知器では測定項目にCO2がない場合が多い
CO2を含めた常時モニタリングシステムがあると良い

BOP使用
注水冷却
高比重泥水

協議事項

②坑壁崩壊★事前予測は難しいが・・・
1本目の掘削状況と検層データからある程度予測できる（坑跡最適化シミュレーション）⇒

２本目以降の掘削工法検討

③強酸性・溶融硫黄障害★硫黄産出地近傍での掘削ではぜひ注意しておきたい（108℃以下になると溶融硫黄は固結する）
障害事例：石津地域

オンサイト坑井地質調査のOJTを受けた
若手技術者の感想
掘削中に流体包有物など、他現場ではラボに送って1カ月くらいして分かる情報をリアルタイムでどんどん更新していくことが可能である、ということを知れたことが経験として一番よかった。
坑井仕上げにしてもスピード感をもって対応できるのでロスタイムが少なく、事業者にとっても働き手にとってもメリットが大きい。
各種判断には知識と経験の蓄積が重要であり、技術者の養成には個人としても会社としてもかなりお金と時間をかける覚悟が必要であると感じた。
現場で起こりうる危険な兆候は、経験のある人から吸収していく必要があり、スポット参戦の場合は、積極的な姿勢が必要だと感じた。
一方でスポット参戦では、通しで状況を把握できないジレンマがあり、何か起こったときには既に手遅れという事態も想定され、責任ある立場で現場に立つ怖さが残り、ベテランのフォローという安心材料はある程度は必要だと思う。
地質調査者が現場で迅速にすべきことは、事前の予想とどれくらい外れているのか、という思考を続け、発信することだと思われるが、他現場では掘削後にゆっくり考えようという場合もあり、地質屋の意義について考えることが多い。
⇒ 掘削試料の採取・洗浄・鑑定（記録）・分析・解釈の地質検層簡易システム作成

地質屋の仕事と流れ
１．現場あいさつ・情報収集→「凄く掘れた、硬かった、トルクがかかった」などのドリラーのひと言に重要な意味がある
ので積極的に情報収集する（マッドロギング情報の確認も）

２．岩石の洗浄・乾燥・観察→

岩石名、硬軟、変質程度、崩壊しやすさ、熱水性鉱物脈の種類や流体包有物の気液比

３．掘削データ整理→

掘進率、断裂遭遇深度・規模、岩石の硬軟（掘削担当者へ伝達：坑跡管理・掘削方針変更）

４．日報作成・今後の予想→

今日の結果（柱状図作成・重要情報記載）
明日の想定（危険があるか、対策は必要か…）＊適切なビット選定、資機材準備

現場での普段のコミュニケーションは重要！
ドリリングブレイク時はすぐに岩石採取を！
掘削あっての地質屋、地質屋あってのスムーズな掘削作業へ！

オンサイト坑井地質調査とは簡便な機材・機器で、迅速に地下情報を得て、想定していた地熱系モデル（地質、断裂、温度）の確からしさを確認し、円滑で適切な掘削工事を強力にサポートする調査＜主な調査（当日～数日内に結果が出る）＞● カッティングス調査（現地でのリアルタイム情報収集）
・薄片作成および鑑定・

Ｘ線回折分析

● 流体包有物試験（偏光顕微鏡観察で地層温度の推測可能）● 掘削情報の整理
・ドリリングブレイクなど● 物理検層（井戸の温度・圧力測定など）結果の解釈補助
・地質観察と掘削情報から、検層結果を想定しておくカッティングス調査（肉眼観察）

熱水により白色粘土に変質した安山岩溶岩

地域ごとに保管しているカッティングコラム

・カッティングスの大きさは数mm程度
・通常５m毎に1kgほど採取【カッティングコラム】
・岩石の変化（岩石・地層区分、変質状況）を簡単に判断できる・複数の井戸がある場合、岩石種・変質帯の対比に便利

カッティングコラム【引用】地熱エンジニアリング㈱提供資料

カッティングス調査（実体顕微鏡観察）・未洗浄時の粘土分などを記録
・洗浄・乾燥させ、容器に入れる（湿潤状態での観察も可）
・岩石の種類や変質・変成状況等を確認し、地下の地質情報を整理する。周辺の坑井データがある場合は対比する
・熱水性鉱物脈の種類・長さ・自形性、破砕帯の徴候などを詳しく調べ、井戸の能力評価や、仕上げ方を必要に応じて修正【引用】地熱エンジニアリング㈱提供資料

薄片作成および偏光顕微鏡による鑑定
（室内）

岩石薄片：
通常は1深度（1箇所）につき1枚作成

貫入岩の有無や岩石の変化をすぐに知りたい場合は、１枚のスライドグラスで５深度程度をまとめて薄片にすると、時間も経費も節約になり、精度の高い地質柱状図を作成できる。
モニターにつなげば、複数人で同時に観察可能。
重要な箇所の記録は瞬時にできる。

左・中）薄片とは岩石試料を厚さ0.02mmまで薄く研磨したもの
右）偏光顕微鏡で薄片を観察し、構成する鉱物の種類・組み合わせ、変質状況などを鑑定する＊変質鉱物の産状を確認し、最新の熱水変質活動を判別できる＊温度・圧力・熱水の化学性状を推測するための指標鉱物を鑑定できる【引用】地熱エンジニアリング㈱提供資料

粉末Ｘ線回折分析（室内分析）

角閃石

岩石を粉末化するボールミル右上）分析には岩石を粉末化した試料を使う。
粉末化は、ボールミル等を利用すれば、数分で済む。
粉末試料はアルミホルダーなどに充填する。
＊変質程度の指標である粘土鉱物分析は、粉末試料の水ひ処理と薬品処理（エチレングリコールや塩酸）が必要なため、分析するまで準備に１日は必要。簡易水ひであれば、試験管で1時間程度ですぐやれる。
右下）Ｘ線回折分析装置。４８試料連続分析可能。分析装置は多様で、現在は、分析時間は数分で済み、すぐに結果を出せる。
【引用】地熱エンジニアリング㈱提供資料

掘削と同時に、事前に想定していた地下モデルの妥当性を検証していく ⇒ カッティングス観察

カッティングス
噴出物

データ精度（目的に対する価値）

原位置スケール・コア＊自分で観察・分析したことがない場合、未到達の可能性はある

実務者のGOAL【事業者が求めるデータ】★断裂・温度情報★予想モデルとの整合性★次期掘削ターゲット設定★次期掘削工法・調査項目

Step0 掘削情報の理解、地熱モデル理解
Step1 試料の洗浄・(乾燥)・観察
Step1a ドリリングブレイク時臨時試料採取
Step1b ドリコンへの緊急情報提供
Step2 モデル対比（特に地質予実）
Step3 解釈・報告
Step4 分析用試料選定
Step5 明日(今後)の予想

経験（目的理解の熟度）

データ精度の限界を実務者・事業者が相互理解して、適切に利用する

流体包有物試験

流体包有物

塩角閃石（NaCl)

液体

測定すべき流体包有物は、上と下どっち？
→ 地層温度評価は、最新期の流体包有物を測定する！

気泡

気液比がほぼ一定の液相包有物

NaCl結晶を含む多相包有物

・流体包有物は鉱物・スケールなどに含まれる（測定対象外鉱物：沸石）
・約20μm前後の大きさで、液体と気泡からなる場合が多い・活発な地熱地帯では、最低均質化温度は地層温度と一致することが多いため、貯留層のポテンシャル評価としては最重要分析
・慣れてくると、流体包有物の気液比を見て、地下のおおよその温度を判断
・液単相包有物は、経験的には130℃以下の地層温度帯に産出することが多い
注意）複数個の鉱物脈を観察し迅速に決める＊貯留流体の温度・塩濃度がわかれば、比抵抗構造解釈に有益となる★これまでの多量の測定データを学習させれば、簡易測定システムが完成する。

流体包有物試験（室内、現場持ち込みも可能）（地下温度情報の取得：安い、早い、的確）

加熱冷却装置（右上に拡大）１mm左）カッティングスから透明な鉱物など拾い出す右）流体包有物試験装置
１～２時間の試験で地下温度を評価できる＊掘削時に迅速な温度評価が求められており、本試験は最重要！
＊全量逸泥箇所では試料が欠損することから、適用できない！
【引用】地熱エンジニアリング㈱提供資料

掘削しながら地下温度を最も早く推測する手法【流体包有物試験】
実務者のGOAL【事業者が求めるデータ】
・現在の地下温度

カッティングス
噴出物

データ精度（目的に対する価値）

原位置スケール・コア＊自分で下記Step1,3,5を経験したことがない場合、未到達の可能性はある

データ精度の限界を実者・事業者が相互理解して、適切に利用する
Step1
Step2
Step3
Step4
Step5

試料ピックアップ
研磨（不要の場合あり）
観察（およその温度等推測）
測定（任せる場合は明確な指示）
解釈・報告

経験（目的理解の熟度）

北海道

森発電所・・・濁川カルデラの地質構造、断裂分布開発初期の構造試錐井の温度分布

高温流体上昇流域

チャート

=

先第三系
上磯層群

石灰岩
チャート/粘板岩【引用】鷹觜(2002)を一部改変

カルデラ壁近傍破砕帯★坑井地質調査者は、地質構造と温度構造の関連性をいち早く解析し、地熱系モデルの構築と掘削ターゲットの選定を行う必要がある。
★濁川はカルデラ壁近傍が上昇流域だが、他のカルデラでは同じとは限らない。

森発電所（出力：２万５千ｋWe）
深さ数百～3,000m以上の井戸を40本以上掘削している（温度も300℃に達する）
濁川カルデラ（約1.2万年前噴火）
熱水卓越型（熱水還元必要）

引用：黒墨・土井(2003)

カッティングス・コアで砕屑岩脈の分布と範囲を詳細調査 ⇨カルデラ壁破砕帯の分布域解明が生産井ターゲット（ある幅を持った透水性断裂群）の抽出に直結した

コアは、カッティングスより、はるかに情報量が多い。原位置データを取得できる。

←カッティングスでは、基質が付着する礫の有無を確認することが重要となる。5m毎に採取されるカッティング
スでは確認できない可能性はある。

【引用】黒墨・土井(2003)

カルデラ壁近傍の砕屑岩脈

カルデラ壁のコアチャートとカルデラ内堆積物の境界（←部分）★一部の砕屑岩脈（⇗）は高透水性を有し、高温流体の上昇流域（開発ターゲット）となりうる★境界部に高透水性断裂なし

葛根田地熱発電所

深部貯留層の主生産域は、新期花崗岩貫入岩体縁辺部近傍に分布
ただし、貫入岩体内部は熱伝導域で急激に温度上昇（延性脆性境界）

熱水卓越型
第四紀葛根田花崗岩類（５００℃＜）＊超浅部は蒸気卓越

第四紀葛根田花崗岩

引用：日本重化学工業㈱(1996)

葛根田花崗岩の上面深度は、熱変成鉱物のアイソグラッド（黒雲母、菫青石）から推測できる＊菫青石が出現しているかどうか、XRDで迅速に解析しておく必要がある。

第四紀葛根田花崗岩【引用】加藤ら（1993）に加筆

新期花崗岩類上面近傍（深部貯留層）の指標：熱変成鉱物の出現（黒雲母や菫青石）
熱水活動の指標：硬石膏（250℃＜）、ワイラケ沸石（高温貯留層≒300℃）
K6-3は深部貯留層がターゲットであるため、変成鉱物の出現を注視（黒雲母は肉眼、菫青石はXRDで素早く確認）。
掘削時は隣接坑井（K6-2）の浅部で流体噴出しているので断裂指標に注意して観察。

岩手県松尾八幡平地域の地質・変質・断裂

熱・流体・き裂

ホルンフェルス中の白色熱水変質部（熱変成鉱物消失）

白色変質部で逸泥発生（透水性断裂）【引用】NEDO(2009) 地熱開発促進調査 No.C-2-8 八幡平地域（第3次）

第四紀トーナル岩岩脈（熱源岩）★トーナル岩境界部分に透水性亀裂は形成されていない

岩手県松尾八幡平地域の地質・変質・断裂

引用：NEDO(2011) 地熱開発促進調査
開発可能量調査 松尾八幡平地域に加筆

・ホルンフェルスの帯磁率（磁鉄鉱）注意！
⇒ 坑跡コントロール（方位）重要！
・ホルンフェルスは硬質な場合が多く、キックされる場合もある
・ホルンフェルスは高密度鉱物（輝石・角閃石：3.3 g/cm3 、磁鉄鉱：5.17 g/cm3）を多量に含有することがあり、物理探査（重力解析）の結果に影響を与え、見直す必要も出てくる。高比抵抗でもある。
Cf) 花崗岩2.5～2.8 g/cm3 、安山岩2.2～2.9 g/cm3

浅部まで高温上昇流がある例（インドネシア マタロコ地熱地帯）
MT-1は暴噴したので埋坑（低圧高温を示唆する湯河原沸石が分布する）

200℃

200℃

＜ 10 Ω・m断裂

引用：Koseki and Nakashima(2006)

低比抵抗帯中に高温地熱流体上昇域が存在する
低比抵抗帯全体がキャップロック（スメクタイト帯）ではないことに注意！
MT-1は暴噴したので、その後グラウチング対策が取られた

引用：Zeng and Liou(1982)【左図説明】
MT-1の変質帯は浅部から下記のように分帯される。
Ⅰ帯：カオリナイト-α-クリストバライト帯
Ⅱ帯：沸石帯Ⅱa帯：ヒューランダイト帯Ⅱb帯：ローモンタイト帯 ＊湯河原沸石伴う
Ⅱc帯：ワイラカイト帯 ＊湯河原沸石伴う
Ⅲ帯：カオリナイト帯【引用】Nasution, Taniguchi, Kikuchu and Muraoka(2003)

沸石の相平衡とカオリナイト結晶度指数から推定される結晶化過程の地下温度は,静水圧沸騰曲線を超えて急上昇し,深度約180mで236℃に達する。この深度が水の2相分離曲線の最大エンタルピー点を表し,下部の蒸気卓越型貯留層と上部の蒸気凝縮帯とを分けていたらしい。
II帯の鉱物生成が不透水帯をつくり,蒸気卓越型貯留層に過剰な熱供給が続いた結果,岩石圧的被圧帽岩が出現した。現在,この岩石圧的被圧は解消されている。

マタロコ地熱地帯の特徴（変質鉱物と温度構造）

鉱物共生関係による温度・圧力指標
たとえば、低圧高温の組合せ（湯河原沸石＋ワイラケ沸石）があれば、蒸気比率の高い貯留層に遭遇する可能性がある。
湯河原沸石の産出例としては、
マタロコでは、蒸気卓越型貯留層と蒸気凝縮帯の境界付近に出現（Nasutionet.al,2003）
鬼首では、湯河原沸石はより高地温勾配を有する場所に生成（Seki et al,1983）
葛根田では、蒸気卓越型の超浅部や地表に分布（越谷ほか,1994）
引用：Zeng and Liou(1982)

左：湯河原沸石（高温低圧）、右：ワイラケ沸石（高温）【経済的なメリット：最良ケースは良質蒸気のみ噴出】 最良ケースだと、還元井が不要（あるいは還元能力をある程度確保するだけで良いかもしれない）
 最良ケースだと、スケール対策が不要
 浅井戸で仕上げられる場合、低掘削コスト＊ただし蒸気性状が腐食性ガスを含む場合は除く

暴噴発生のメカニズム（ケース-１，２，３）＊マタロコ地域の事例も参考となります【引用】NEF（2001）地熱井の噴出事故と対策

坑内トラブル：暴噴

引用：NEF（2001）地熱井の噴出事故と対策

周辺（直近）にすでに複数本の坑井があって、このような現象が認められていなくても、新たに掘削して発生する可能性はある。
★地熱貯留層は断裂型なので、開発エリア全体ではなく局所的に高温となっている場合がある！
★万一暴噴したら、噴出岩石試料から、その噴出深度・温度（推定値）を坑井地質と対比して明確にすることができる！

坑内トラブル：崩壊、抑留
蛇紋岩分布地域では、蛇紋岩の産状により抑留や崩壊が想定される。

引用：地熱開発促進調査小谷地域（NEDO,2006）【抑留事例紹介】 小谷地域（NEDO,2006）右図,次頁
 姫川地域（NEDO,1999）
蛇紋岩は土木工学的観点から,粘土状，葉片状，塊状に分けられ，そのうち，粘土状および葉片状を示す蛇紋岩は膨張性を示すことが知られている（地盤工学会，2005）【その他の地熱開発地域における出現】
鬼首ー湯沢マイロナイト帯沿い（笹田,1988）
・秋ノ宮（YO-5）・上の岱（複数坑井）＊地表では鳴子川渡に局所的に出現蛇紋岩について地質学の参考書⇒

粘土化した蛇紋岩は径1mm未満の葉片状ないし塊状の蛇紋岩片を多量に含み，それらの間を白～灰白色の粘土状物質が充填（塊状部は約10mm大）坑内トラブル：崩壊、抑留
抑留回復作業

抑留回復作業【抑留トラブルの再発防止】① 蛇紋岩の掘削はトラブル発生のリスクが大きいので，原則として粘土化した蛇紋岩は掘削しない（または泥水性状調整）② 地質専門家による現場でのリアルタイムのカッティングス調査を行い，地下状況の監視強化

引用：地熱開発促進調査小谷地域（NEDO,2006）【抑留による損失】 ≒120日×デイレート→ 抑留防止のためのオンサイト地質調査（者の鑑定・判断能力、関係者との迅速な情報共有）が重要である

坑内トラブル：
抑留、火山性ガス、溶融硫黄
硫黄鉱山跡地近傍は地熱開発有望地となることが多いため、トラブルを想定しておく必要がある。
なお、酸性流体の利用等については、十分に事前検討する必要がある。
【事例紹介】
群馬県草津白根山南面（石津硫黄鉱山跡地）における地熱井の掘削に関する問題点

上図・左図 引用：倉沢(1993)

高温地熱帯（250℃＜）を確認したが、下記のトラブル発生 掘削中の溶融硫黄の突出
 強酸性流体の突出
 上記突出による掘管の抑留、ケーシングの腐食・破損

引用：http://www.msoc.eng.yamaguchi-u.ac.jp/collection/element_26.php

坑井地質調査 まとめ
坑井調査の重要性再確認（現場実務者または管理者として、事業計画者として）調査結果から得られる情報の整理（解析担当者として、事業計画者として）円滑な掘削（トラブル回避・対策事前準備）、迅速な井戸の評価であり、開発に最も重要な役割を負う
正確で迅速な解析結果を出すために掘削担当者と情報交換する
事前の想定地下モデルとのリアルタイム予実対比をおこなう
発電所運開後も、坑井の維持管理に重要な役割を果たす

【参考図書（坑井地質調査）】
１．佐藤浩・伊藤成輝・佃十宏(2019)
地熱地質調査と生産井掘削ターゲット，イー・ピックス社

続編「地熱地質調査と生産井掘削ターゲット

追補版ー還元井にも着目してー」

２．Jeffrey B.Hulen and Bruce S.Sibbett(1981)
Sampling and Interpretation of Drill Cuttings from Geothermal Wells
ビットの衝撃で岩石がどのようになるのかなどまで、わかりやすく書いてます。

DL可能