地熱井の特徴とトラブル対策

2022年1月19日
株式会社ベッツ
阿部 剛
1

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、対策に⻑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

（⻫藤 他 1993）

3

地層温度

イタリア
Venelle-2（⻑縄、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

6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

7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

8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 ）

10

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（⻑縄、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)

200
150

⽔

100
50

⽔蒸気00100

200

300

400

温度（℃）

19

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︓⻫藤清次︓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

下記URLの動画をご参照ください。

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=12Well 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⻑さあたりの内部応⼒Pは以下の式で計算される

𝑃

𝐸𝛼𝛥𝑡

Pα︓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
Cl2やH2Sガスの含有量が多い

フラッシュポイント
でのスケーリング
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
12345PH
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（⾼温⾼圧下での強度特性、硫酸塩に対する化学抵抗性)

31

セメンチング（地熱井）
項⽬

⻑所短所

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)32

リバースサーキュレーション法

従来のセメンチング

リバースサーキュレーション法(Hernandez et., 2010)(Rickard et al., 2011)33

トップセメンチング

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

34

トップセメンチング

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

37ご清聴ありがとうございました38