SK Engineering
令和2年度 作業地熱井掘削監督者養成講座

掘削技術概論2021年(令和3年) 2月
エスケイエンジニアリング株式会社
日野 智之

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はじめに

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掘削現場に勤務する監督者は多くの業務を抱えています。
 安全かつ効率的に作業を進めること(LTIの撲滅、Cost削減)。
 トラブル(NPT)を未然に防ぐこと。
 トラブルが生じた際の解決策の策定・方針の決定(NPTの最小化)。

 掘削を効率的に進めるには、適切な機器の選択、最適なパラメーターをもって掘削することが大切です。
 坑井トラブルを未然に防ぐには、坑内に降下する前に機器の健全性が担保されていること、また基本的なエンジニアリングを実施し機器性能範囲内で作業が可能かを知っておくことが大切です。
 トラブルが発生した際、見えない坑内の状況を地上で収集出来る限られた情報から推定し、その推定に基づき解決策を策定します。

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アジェンダ3(効率的な掘削と坑内機器の適切な使用)

1. ビットの選択と掘進パラメーターの決定
2. 掘進編成(BHA)・ドリルストリングの基本
3. 傾斜掘りの基本
4. ハイドロリクスの最適化(坑内トラブルの防止と対策)

5. 抑留の原因と対策

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1. ビットの選択と掘進パラメーターの決定① ビットの種類

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1. ビットの選択と掘進パラメーターの決定

5② ローラーコーンビット
Milled Tooth Bit

Insert Bit• タングステンカーバイドチッ
プの埋め込み• 硬岩向き• 高コスト• 中軟岩質ではチーゼル型（刃先が鋭い）インサートチップ• 硬岩質ではコニカル（円錐型）インサートチップ• Steel製のTooth• 軟岩向き• ジャンクやセメントの浚いにも適している• 低コスト• 焼入れやタングステン• カーバイド粉末によるToothの硬装• セルフシャープニング性

SoftMediumHard

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1. ビットの選択と掘進パラメーターの決定③ ローラーコーンビットのベアリングの種類- ローラーベアリング•
コロによるベアリング、低コスト、高荷重での耐久性は小さい•
ノンシールド（泥水・固形分の浸入を防ぐ機構）でも機能できる-

シールドローラーベアリング•
シールドベアリングは、ローラーベアリングに比べ耐久性が高い- シールドジャーナルベアリング•
金属面によるベアリング、高コスト、耐久性大きいが、高速回転には向かず•
シールがあって潤滑材に浸されてなければならない•
ボディを肉厚にし、頑丈に出来る

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1. ビットの選択と掘進パラメーターの決定④ PDCビット-

多結晶の人工ダイヤモンドの薄板をBIT回転方向にアレンジして使用
軟質層で高掘進率⾧寿命が期待できる
衝撃や熱に弱い、硬質岩や火山岩に弱く、張り付きを防止する必要がある
ビット洗浄と冷却のために高フローレートが必要⑤ ナチュラルダイヤモンド ビット-

研磨性あるいは硬質地層に使用される非常に高価
ダイヤモンドは650度で酸化、875度で黒鉛化するタービンとの併用

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1. ビットの選択と掘進パラメーターの決定⑥ IADCコードとビットの選択• 2つの分類スキームがあり、1つはローラコーン

ビット用であり、1つは固定カッタ(ダイヤモンド/PDC)ビット用である。
• それぞれの現行バージョンは、1987年にSPE(石油技術者協会)およびIADC (国際掘削請負業者協会)によって共同で導入された。
• 分類スキームは両方とも4つの文字を使用する。
ローラ・コーン・ビットの場合、これは3つの数字と1つの文字からなり、ダイヤモンド・ビットは1つの文字と3つの数字を使用する(ダイヤモンド・ビットは3番目の文字として1つの文字を使用することもできる)。

ローラーコーンビット

１桁目:歯の材料と⾧さ(数字1, 2, 3はMilled toothを示し数字が大きくなる程固い地層用 数字4, 5, 6, 7, 8はInsertを有するビットで数字が大きくなる程固い地層向き)
2桁目:硬度の細分化(数字1, 2, 3, 4は１桁目で決定された硬度を更に細分化)
３桁目:軸受け、ゲージ保護(数字1～7はベアリングのタイプとゲージの保護の有無を定義)
4桁目:その他の特徴

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1. ビットの選択と掘進パラメーターの決定⑦ ビット荷重と回転
IADCコード別WOBとRPMの目安表⑧ WOBとRPMの最適な組み合わせ- ドリルオフ テストの実施:ビットのWOBとRPMの最適な組み合わせを確認し掘進率の最大化を図るために以下の場合に行われる。
- 新しいビットを降下した際- 地層に変化が有った際- ROPが低下した際

ドリルオフテストの方法例① 回転数を一定に設定し、WOBを許容最大までかけて保持する。
② 一定荷重低下(概ね2ton)するまでにかかる時間を測定する。

(ie. 15tonかけたら13ton, 11ton、と、2tonずつ減少するのにかかる時間をそれぞれ記録）③ WOBが下限まで達したら一旦張り上げる。
④ ②を複数回繰り返してプロットし同様の傾向がみられるか確認する(地質の影響でないことをチェックする)⑤ 最も小さいWOBで高ROPが得られるWOBを最適なWOBとする。
⑥ 最適WOBで一定にし、RPMを変化させて②と同様のステップを実施する。
⑦ 最も小さいRPMで高ROPが得られるRPMを最適なRPMとする。

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2. 掘進編成(BHA)・ドリルストリングの基本① ドリルストリングの基本
ドリルストリングの役割

ドリルストリングは地上の回転駆動システムと坑底のビットを機械的結びつける。
その役割は大きく３つが挙げられる。
• 軸方向荷重の伝達とサポート – WOB• ねじり荷重の伝達とサポート – RPM• 坑内を綺麗にする、またビット冷却のため掘削流体を送る

ドリルストリングの構成• ケリー、サーフェス セーフティー バルブ• ドリルパイプ• ヘビーウエイト(ウォール) ドリルパイプ• ドリルカラー• スタビライザー、ローラー リーマー
• ドリリングジャー、ショックサブ、バンパーサブ、採揚器等

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2. 掘進編成(BHA)・ドリルストリングの基本パイプの種類

役割ドリルパイプ• 掘削流体の導管• BHA(Bottom Hole Assembly)の吊り下げ• 地表から坑底のビットへの回転伝達

ヘビーウエイトドリルパイプ• ドリルパイプとドリルカラーの間に使用する• ドリルパイプの座屈を防止する• 圧縮状態で使用できる• 傾斜掘りで使用される• ドリルカラーの代替として使用できる• ドリルパイプを常に引っ張り状態に維持できる• 一般的にはWOBには使用されない• ドリルストリングの座屈やねじれを防止する• 井戸の方向性と傾斜をコントロールする• 井戸をまっすぐに掘削する• 井戸のドグレグ、キーシート、レッジ形成リスクを最ドリルカラー

•
•
•
•

小化する
ケーシングを計画深度まで降下出来る確率を上げる
ビットパフォーマンスの向上
跳ね上がりの軽減
フィッシング、DSTの坑内機器の一部として使用する

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2. 掘進編成(BHA)・ドリルストリングの基本② ドリルカラーの選定原則• ドリルカラーの選択は、重量と剛性の２つの主要な要素で支配される• 一般的には、安全に降下出来る最も大きな外径のドリルカラーを選択することが良いとされる- 最適なWOBを与える- バックリング(座屈)を抑える為に最大の剛性を持たせる- スムーズな方向性- 周期的な移動が制限される(坑径とのクリアランスが狭い)• 可能な限り短いBHAにする- 地上でのハンドリング時間の短縮(締め付け数の削減)- 差圧抑留の防止(坑壁との接触を最小化する)③ 掘進編成のデザイン(BHA重量)

引っ張り• 計画されたWOBに対して十分であること

ニュートラル ポイント

- 浮力を考慮しても十分であること- 傾斜を考慮しても十分であること- 軸方向の荷重のニュートラルポイント(中立点)がBHA内にあること※ 設計係数は会社のポリシーとして定めるが、一般的には1.15を使用

圧縮

デザイン WOB

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2. 掘進編成(BHA)・ドリルストリングの基本

13⑥ ドリルパイプの選定原則
P• サイズと重量・強度が適正であること• 一般的には可能な限りOD、IDが大きいものを選択する- 圧力損失が少ない、ビットに対し大きなハイドロリクスを与える• 計画深度まで掘削可能であること• 全ての重量をサポートすること• 揚げ荷重を考慮しても十分な耐力があること• 十分な内圧、圧潰耐力があることDP⑦ ドリルパイプのデザイン(引張設計)

BHA• ドリルストリングは、最小降伏強度に従って設計されていない!!!ド

Ld

LBHA

リルパイプが降伏に達した場合ドリルパイプは、永久変形する• ドリルパイプの変形損傷を防止するために、APIでは最大許容設計荷重(Pa)の使用を推奨(上記 (1)式の係数0.9を掛ける)• オーバープル マージンを見込む(抑留、揚げ荷重)
注) 抑留した際は浮力は考慮しない⑧ ヘビーウエイトドリルパイプ•••

引っ張りおよび圧縮状態で使用することが出来ると言われている
しかしながら、メーカーは12-1/4”坑より大きな坑径での圧縮状態での使用は推奨していない
経験的には垂直井でも圧縮での使用は控えるべき圧縮で使用される場合の経験則
ツールジョイントのOD + 6” ＞ 坑径 (or 2 x ツールジョイントOD ＞ 坑径)

Tsur = [(LDP x WDP + LBHA x WBHA)] x BF
Tsur = 全重量
LDP = ドリルパイプの⾧さ
WDP = ドリルパイプの単位重量
LBHA = ドリルカラーの⾧さ
WBHA = ドリルカラーの単位重量

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2. 掘進編成(BHA)・ドリルストリングの基本

14⑨ ドリルパイプの破損の原因⑩ ドリルパイプ破損の防止策

ドリルストリングの破損の多くは疲労によるものが多いと言われています。

• 傾斜の増角率を3°/30m以内にする• 腐食防止剤、脱酸素剤の使用• スリップセット時スリップ傷を付けない• スリップ上の⾧さを⾧くしない(1m程度)• ドリルカラーとの間にHWDPを使用する• 揚降管毎に戻し口を変える• ビット荷重を与える十分なDCを使用する

破損の85%(最小降伏圧力以下)

破損の15%(最小降伏圧力以上)

・ドリルパイプの管体部の疲労・BHAの接続部疲労・接続部のリーク・硫化水素腐食
・ネジこけ・溶接部の破損

・引張り・ねじれ・引張りとねじれのコンビネーション
・圧潰・破裂⑪ BHA接続部の破壊の原因⑫ BHA接続部の破壊の予防策• 接続部の過剰なトルク、もしくはトルク不足• ドグレグ/高傾斜井• 酸素、硫化水素、二酸化炭素等による腐食• 圧縮状態のDCの不安定性• 大坑径、崩壊等による坑径拡大• BHAの振動、バウンド• 抑留時の高い強引• 接続部にストレスリリーフが無い• 接続部のシール面のダメージ• 不適切なBSR• スティック & スリップ• 傾斜の増角率を3°/30m以内にする• 腐食防止剤、脱酸素剤の使用• 適正なトングの使用とトングトルクメーターの校正• パイプドープの摩擦係数を考慮したうえで推奨締め付けトルクを調整する• スタビライザー、ショックサブを使用して振動、バックリングを最小化する• ストレスリリーフとボアバック付きのDCを使用する• BSRを推奨値になるべく近い値に維持する

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2. 掘進編成(BHA)・ドリルストリングの基本⑬ ストレスリリーフ機能
ドリルカラーの接続部の応力は、ピンの根元とボックスの底部に集中する。またドリルパイプ本体は容易に曲がるため、その接続はDP本体よりも少ない曲げしか受けないが、ドリルカラーはドリルパイプよりもはるかに高い剛性を持つため、曲げ応力の殆どが接続部に集中する
ストレスリリーフ機能を付ける事で緩和できる• ストレスリリーフ機能は、疲労亀裂を緩和する• ボアバックはボックス側の底部でストレス リリーフ グルーブと同様の目的を果たす• ストレスリリーフ機能はNC-38以上で採用する必要がある• NC-38より小さい接続部では接続部の引っ張りおよびねじれ強さを弱める可能性があるためストレス リリーフ グルーブは推奨されていない• ロートルク フェイスを採用することで、通常の締め付けトルクでも通常のフェイスよりも圧縮応力を増加させる⇒ 締め付けトルクを低くすることが可能、大きなODの接続で使用される⑭ Bending Strength Ratio• ボックス部のスティッフネスがピン部のスティッフネスに対する比率

・ボックス部のスティッフネスがピン部に対し2.5倍の時にバランスしている

Zbox = box section modulus
Zpin = pin section modulus

その他:高回転、柔らかい地層を掘削で小径のDCを使用の場合(例 12-1/4”坑に8”) 2.25 – 2.75

D = ピン・ボックスの外径
b = ピン端のボックスねじのねじ根元径
R = ピンの肩から1インチの3/4のピンねじ山のねじ根元直径D = 内径令和2年度 地熱井掘削監督者養成講座

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3. 傾斜掘りの基本

16① 傾斜掘り• ターゲットのX-Y座標と垂直深度、坑口位置のX-Y座標と標高、KOP、増角率、坑跡タイプが決まれば、目的方位、偏距（坑口～ターゲッ
トの水平距離）、沿角部の傾斜、増角終了点の座標を求める。その結果、必要なら、KOP、増角率、坑跡タイプを再検討する② ダウンホール モーター
• パワーセクションに泥水が流れるとモーターが回りビットが回転する。
• モーターはパワーセクションに流れる泥水の流量とモーターの回転数が比例する- モーターにおける圧力損失はトルクに比例する
泥水の流れの馬力 HP = P×Q÷1,714

P:モーターでの圧力損失 [psi]

回転の馬力 HP = 0.001396 × T × N

Q:モーターに流れる泥水の流量 [gpm]T:モーター（ビット）に生じるトルク [kg・m]
N:モーターの回転数 [rpm]• ビットが地層を掘り始めるとポンプ圧が上昇する。

#2 Stab.

③ ベントハウジングの角度の最適化

L2
Bent Housing• ビットとベントハウジング間の⾧さ(L1)が主に増角率に影響を与える、一方でベントハウジン••••

グと#2 スタビライザーの⾧さ(L2)は影響が小さい。
セクション全体の⾧さ(L1+L2)を短くすると、同じ増角率を得るにはベント角を大きくする必要がある。
坑径が大きくなると同じ増角率を得るためにはベント角を大きくする必要がある。
柔らかい編成(曲げ合成の小さい編成)であるほどベント角を大きくする必要がある。
増角率が大きいほどベント角も大きくする必要がある。

L1#1 Stab.
Bit

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3. 傾斜掘りの基本

17④ 傾斜方位測定• MWD(Measurement While Drilling)と言われるシステムを用いることが一般的• マッドパルステレメトリは、流体経路の収縮または開放であり、流体の流れに瞬間的な変化を引き起こします。 流体流路の収縮または開口により、表面の直立型圧力マニホールド内の圧力変換器で検出できる圧力変化が発生する。

⑤ 北の取り扱い「北」には次の3種類がある
磁力線の向き• 磁北（MN）:• 真北（TN）:
北極点の向き
地図上での北• 座北（GN）:

ATN = AGN + G

ATN = AMN + D
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3. 傾斜掘りの基本

18⑤ スタビライザーの配置を変えた傾斜のコントロール• ビット直上に置かれたスタビライザーはピボット(軸)として機能し、スタビライザーの上のドリルカラーはレバーとして機能する• WOBを与えることでドリルカラーが曲がり、ビットが穴に強く押し付けられ傾斜が形成される傾を作り出す

増角編成

沿角編成

減角編成

• 3つの基本概念がある* 角度を構築する支点原理* 角度を保持する安定化原理* 角度を落とす振り子の原理** 方位の制御は困難

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4. ハイドロリクスの最適化

19① ハイドロリクスの最適化
ビットと坑内を最低の力(水馬力)で綺麗にするに十分な様に、ハイドロリクスのそれぞれのパラメーターをバランス良く計算する。
• 掘進率の最大化(中～硬質層では、掘進率を上げるために水馬力を最大にする)• ホールクリーニング性の最大化(軟質層、傾斜井ではホールクリーニング性の向上のためフローレートを最大にする)• アニュラスの圧力損失(小径または深掘井ではフローレートを制限しアニュラスの圧力損失を最小化する→逸泥、差圧抑留、坑内不安定性の最小化)• ハイドロリック エロージョン(軟質、未固結な地層で坑内のウォッシュアウトが懸念される場合、フローレートを制限する)• ビットプラグ(逸泥が懸念される場合は大きなビットノズルにする必要がある)• ダウンホール モーターのベアリングセクションの冷却(ビットで必要最低限の圧力損失の必要がある)② ハイドロリクスの最適化の目安• フローレート:ビットサイズ 1インチあたり30GPM(115L/min) - 60GPM(230L/min)を維持する• ハイドロリック ホースパワー:ビットの断面積あたり2.5HP – 5HPを維持する• ジェット ベロシティー:350feet/sec(106m/sec) - 450feet/sec(137m/sec)を維持する③ 坑径/坑井傾斜と最小フローレート
坑井傾斜/坑径26”

17-1/2” – 16”

12-1/4”8-1/2”

0 – 35°700GPM (2840LPM)

500GPM (1890LPM)

400GPM (1520LPM)

300GPM (1140LPM)

35 – 55°

1250GPM (4730LPM)

950GPM (3600LPM)

650GPM (2460LPM)

450GPM (1700LPM)

1100GPM (4160LPM)

750GPM (2840LPM)

500GPM (1890LPM)

55°+

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5. 抑留の原因と対策

20① 坑井トラブルと費用のインパクト

抑留のトラブル対策費は相対的に高額である。
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5. 抑留の原因と対策

21② 抑留事故のメカニズムと初動
抑留の要因は大きく分けて3つのカテゴリに分類できる。抑留原因を推定し最適な初動することで解決できる確率が高くなる① Geometry(幾何学的要因)•••

タイプ:アンダーゲージホール、キーシート、固い編成、棚、バルーニング
症状:ドリルストリングを動かすときに問題が発生し、1方向の動きに影響する
初期行動:ストリングがスタックしたときと反対方向に動かしてみる。徐々に増加引っ張りもしくは圧縮力を増したり、ジャーリング、トルクを与える。

② Pack off、Bridge(固体)•••

タイプ:溜まった崩壊ザクや掘削ザク、崩壊、破砕および断層の形成、ジャンク、 セメントブロック、ソフトセメント。
症状:問題は主にストリングを張った時に発生し、1方向の動きに影響する。多くの場合、不適切なホールクリーニングに関連付けられ、場合循環が制限されます。
初期行動:ストリングがスタックしたときと反対方向に動かしてみる。徐々に増加引っ張りもしくは圧縮力を増したり、ジャーリング、トルクを与える。 可及的速やかに循環を試みる(逸泥に注意、またジャーのポンプ オープン 力に影響を与える)。

③ Differential Sticking(差圧抑留)•••

条件:泥水のフィルターケーキで覆われた浸透性の高い地層、泥水比重と地層圧の差が大きい、BHAの坑壁との接触面積が大きい(⾧いドリルカラーセクション)、ストリングの⾧い停管。
症状:ストリングの停管時間(時々非常に 短い時間でも抑留する)。循環は可能。
初期行動:できるだけ早く最大荷重で管動試みる(粘着力は時間とともに急速に増加する)、可能であれば、循環泥水比重を下げる

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5. 抑留の原因と対策

22③ 抑留メカニズム判定表

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