JOGMEC地熱部 平成25年度事業成果報告会 「新たな地熱技術への取り組み」

武佐岳地域の地熱井における新しい掘削技術の適用結果について

平成26年6月13日
石油資源開発(株)・ 三菱マテリアル㈱・三菱ガス化学㈱エスケイエンジニアリング(株)、地熱技術開発(株)内 容
武佐岳地域 地熱調査事業の概要
石油資源開発㈱「新しい掘削技術の適用結果について」

その１ PDCビット
エスケイエンジニアリング(株)その２ 高出力ダウンホールモーター
地熱技術開発(株)1武佐岳地域 位置図

武佐岳地域： 北海道 標津郡 標津町

地熱調査事業の概要
1.事業者：石油資源開発(操業責任者）、三菱マテリアル、三菱ガス化学
2.調査期間：平成25年5月～平成28年3月予定
3.調査内容： 構造試錐3坑の掘削、技術検討、環境調査
2武佐岳および周辺地域での地熱調査経緯
昭和52年度-石油資源開発㈱が道東の地熱探査を開始。

昭和57-59年度

石油資源開発が、ユノカル、日商岩井と共同で道東調査実施。1984年に調査
井3本を掘削。

平成5-7年度

NEDO地熱開発促進調査 (調査A 標津岳地域)： N7-SB-1で260℃以上の高温を確認。

平成9-11年度

NEDO地熱開発促進調査 (調査B 武佐岳地域)
N11-MD-3で270℃以上の高温を確認するも、異常高圧層による溢泥、坑内埋没等で十分な評価・検討に至らず。

平成17-18年度

NEDO地熱開発促進調査 (調査C-2 標津妹羅山地域)
N11-MD-3等の坑内浚渫を試みるもケーシング損傷で浚渫出来ず、埋坑。
（N11-MD-3で280℃以上の高温を再確認）

平成22年度NEDO地熱開発促進調査 (開発可能量調査 武佐岳地域)
5年間の全体評価を計画するも、行政事業レビューによりNEDO事業中止、1年目の地表調査作業 (Step 1) で中断。

3

平成25年度 構造試錐井(武佐岳SMMG-1D号井)掘削概要(1) 目 的
断層群を横切り高温部へ向かって掘削し、地熱貯留層の発達状況等を調査する(2) 掘削内容
掘削長2,383.85m 傾斜掘り
(KOP 150m、最大傾斜65°垂直深度約 1,735m、偏距約1,450m)(3) 作業期間 （積雪により冬季間作業不可）
平成25年8月23日～12月2日（以降越冬対策）4

平成25年度 JOGMEC地熱部事業成果報告会
武佐岳地域における新しい掘削技術の適用結果について

PDCビット使用実績報告
平成26年6月13日

エスケイエンジニアリング株式会社
削井部
東 修平

掘削機器
○使用リグ：N-3000
掘削能力：3,600 m
巻き上げ能力：300 t
動力：ダイハツ社製 エンジン375HP×3台○マッドポンプ：National社製 8-P-80×2台○掘削装置：
NOV社製 TDS-10SH（1,457 ～ 2,382 m ケリー）

1

PDCビットについて○PDCビットとはPolycrtstalline Diamond Compact（PDC）ビット：多結晶人工ダイヤモンドを使用した、フィックスドカッタービットのひとつである。
・タングステンカーバイドの母材に焼結した人工ダイヤモンドの薄層を接合したカッターをブレード上に配置されている。
・カッターは地層に対して鋭角に取り付けられており、地層をそぎ落とすように切削するタイプのビットである。

○利点

・・・ ・ ・・ ・・・・・ ・・トリコンビットのような回転用のベアリングがないため、ビット寿命が長い。
それによりトリップ回数、ビット使用数を減らすことが出来る。
・シール、グリスリザーバーがないので、耐熱性に優れている。
（冷却循環の必要がない。）○地熱掘削で使われてこなかった理由
・PDCビットは一般的に火成岩には向いていないと考えられていた。
・地熱掘削では逸泥対策が多く、掘進による工期短縮が難しい為、高いビットはコスト面で不利である。

2

使用したPDCビット○12-1/4”PDCビット
メーカー：Hughes
タイプ：QD605FX
IADCコード：M323○8-1/2”PDCビット（ハイブリットPDCビット）
メーカー：NOV
タイプ：FT813
IADCコード：M442
ブレードにインプレ材が含まれている3

12-1/4”PDCビットの使用実績
○掘進編成

○掘進記録

5”DP

5”HWDP⑮
Crossover

使用深度：878～1,457m（579m）
使用時間：171h
トリップなしTotal Rev.：131万回転

8”DC②8”H-M Jar
8”DC⑤○掘進パラメーター
ビット回転数：
ロータリー時145rpm
ステアリング時94rpm
ビット荷重：6～13ton○マッドモーター
ローブ比（7：8） 4.0stage
回転数：0.16rev/gal（0.042rev/L）

12.25”STAB
8”DC③

計画工程より1日短縮

8”NMDC②8”Gap Sub
8”NM AP Sub
8”NMDC8”NM Pony Collar
12”STAB
8”PDM w/ABH
PDCBit4

ドレライト
（貫入岩）

T
B
G

1 2

デイサイト質凝灰岩
凝灰角礫岩互層B
G

I

TDS+PDM+PDCビット

使用
後T

InnerOuter
DCWT
LA(0-8)X(/16")
Others CT(2)InnerOuter
DCWT
LA(0-8)X(/16") 1/16
Others CT(2)/BU
1 1

1,040～1,070m：clay70～90％

CONDITION

TDS+ミルドツースビット

使用
前

CONDITION

デイサイト質凝灰岩

12-1/4”PDCビットの使用実績

1,270～1,275m：clay70％
ステアリング

デイサイト貫入岩

ケリー+インサートビット

・平均掘進率は18min/m（81m/day）・デイサイト質凝灰岩層では比較的高い掘進率を示した。
・ビット回転数の差はあるが、インサートビットよりも高い掘進率を得られた。
・粘土含有量の多い層で掘進率が低下した。
・揚降管なしで579m掘進できた。

5

8-1/2”PDCビットの使用実績○掘進記録○掘進編成 5”DP5”HWDP⑧

使用深度：1,702～2,382m（680m）
使用時間：281h
トリップ1回＠2,002m（編成替え）
Total Rev.：130万回転

6.5”H-M Jar

5”HWDP③
Crossover6.5”DC③○掘進パラメーター
ビット回転数：72～85rpm
ビット荷重：5.5～9ton

8.5”STAB

計画工程より3日短縮

6.5”DC③8.5”STAB
6.5”DC②8.5”STAB
6.5”NMDC
8.5”STABPDCBit6

8-1/2”PDCビットの使用実績
デイサイト

断層破砕帯

B
G

T
B
G

WT
A
X
I
CT(6)

Inner
Outer
DC
L
(0-8)
(/16")WT
T/S
XI

OthersCT(9)/BT(3)

1 3

デイサイト

T

1 2

凝灰角礫岩

トリップ

使用
後

CONDITION

ケリー+PDCビット

CONDITION

ケリー+ミルドツースビット

使用
前

Inner
Outer
DC
L
(0-8)
(/16")
Others・ケリーでも、ある程度の掘進率が得られた。
2,150～2,220m： ・平均掘進率は25min/m（58m/day）
・地質が変わっても、安定した掘進率をclay70～90％維持している。
・デイサイトでも高掘進率を維持している。
・粘土含有量の多い層で掘進率が低下した。
・揚降管1回で680mも掘進できた。
7まとめ掘進率の向上、揚降管回数の減少により、工程短縮の目的を達成した。

（1） 12-1/4”坑：1日短縮
掘進率：計画57m/day → 実績81m/day
揚降管回数：計画3回（インサートビット4丁） → 実績0回（PDCビット1丁）（2） 8-1/2”坑：3日短縮
掘進率：計画36m/day → 実績58m/day
揚降管回数：計画6回（インサートビット7丁） → 実績1回（PDCビット1丁）
武佐岳の場合、地質とPDCビットがマッチし、PDCビットのパフォーマンスを最大に生かすことが出来た。
地質と合い、逸泥の規模、頻度によっては地熱掘削においてもPDCビットは大変有効である。
8

JOGMEC地熱部 平成25年度事業成果報告会
一般講演「新たな地熱技術への取り組み」

武佐岳地域の地熱井における新しい掘削技術の適用結果についてその２ 高出力ダウンホールモーター

平成26年6月13日

技術部 夘城佐登志

高出力ダウンホールモーター適用の概要
 はじめに
 地熱井の掘削は硬質・高温・複雑な地層における掘進を伴うが，掘進率の向上を図ることにより，工期短縮によるコスト削減を達成することが可能となる。
 掘進率を向上させるためには，ビット荷重およびビット回転数を増加させることが有効であることから，効率的に掘削しコストを低減するために，石油ガス開発分野で培われた大偏距井掘削技術の中から，高出力ダウンホールモーター（以下，高出力DHM）やビットを含む適切な掘削機器を選定し，地熱井掘削への導入・評価を行った。
 本技術は，環境省委託事業「地球温暖化対策技術開発・実証研究事業（自然環境への悪影響を回避・最小化した地熱発電に関する技術開発）委託業務」の中の硬岩掘進率向上技術開発の一環として導入した。

 実施目的 既に他の地熱地域でトリコンビットとの組み合わせで掘進率向上の効果が確認されている高出力DHMを，武佐岳地域の対象坑井で使用することによる掘進率等の適用状況を確認する。
 高出力DHMとPDCビットとの組み合わせなど，地熱井の深部掘削において貴重なデータを取得する。

 対象坑井 武佐岳SMMG-1D号井
1

対象坑井（構造試錐井）の概要

掘削リグ(出典:石油資源開発株式会社ニュースリリース, 2013)2

対象区間・使用機器等
 対象区間 12-1/4”坑(878～1,457m)

 主な使用機器
 高出力DHM(SDI社製)
 PDCビット トップドライブシステム
 MWD＋PWD
 マッドポンプ8P-80x2台

高出力DHM適用区間
12-1/4”坑: 878-1457m(MD) 取得データ マッドログデータ
 坑底アニュラス圧力(PWD)
 カッティングス量 試験期間掘削深度：2,300m
KOP：150m
増角率:3°/30m
最大傾斜：40°
偏距：1,258m
最終坑径：8-1/2”

 平成25年10月2日～10月11日
計画坑跡断面図3

SDI社製ダウンホールモーターの基本構造(PDM型:positive displacement motor，ステアラブルモーター)

パワーセクションステーター
スパイラル構造
ローター

8112

77 6624545トランスミッション
セクション

ローター

3 3

ロブ比＝ステーター

パワーセクション断面

ローター

ステーター

基本特性
ベアリング
セクション

流量増加 ⇒ ビット回転数増加
差圧(パワーセクション)増加 ⇒ 駆動トルク増加
ロブ比増加 ⇒ 駆動トルク増加，ビット回転数減少
ステージ(スパイラル)数増加 ⇒ 駆動トルク増加(出典:Drill Motor Handbook, 7th edition, Scientific Drilling International, 2009)4

適用試験時の掘削編成
 試験対象区間：12-1/4”坑のうち，878m～1457m
 掘削編成：PDCビット＋SDI社製高出力DHM(8”OD, 7:8, 4stage)

MWD＋PWD

高出力DHM

高出力DHM

MWD

PWD

アンテナ

PDCビット

PDCビット5高出力DHMと従来型DHMの比較
従来型DHM

高出力DHM

連続使用最適範囲(3785 LPM)

従来型DHM性能曲線

連続使用最適範囲(出典:Drill Motor Handbook, 7th edition, Scientific Drilling International, 2009)

高出力DHM性能曲線

6

マッドロギング計測結果（主要掘削パラメータの推移）
TDS + ミルツース

TDS Ext.
+ 高出力DHM+ PDC
PDM使用区間

20

ビット荷重
1010

掘進率
1000

1100

回転トルク(ft-lbs)

1300

1400

1500

1600

1700

0
1800

掘削深度(m)

20000
15000

1200

200

回転トルク
ビット回転数回転トルク

100

10000

ビット回転数

5000
0700
20000
16000

0800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

5000

坑底アニュラス圧力
4000

スタンドパイプ圧力

12000

流量

8000
4000
0700

800

900

1000

1100

入泥温度(deg.C)

1200

1300

1400

1500

1600

1700

掘削深度(m)

2000

0
1800
2.0

入泥温度
排泥温度
泥水比重

1.8

排泥温度
入泥温度
泥水比重

60
40
20
0
700

3000

1000

100
80

1800

掘削深度(m)

流量
スタンドパイプ圧力
坑底アニュラス圧力

ビット回転数(RPM)

900

1.6
1.4
1.2

800

900

1000

1100

1200

1300

掘削深度(m)流量(l/min)800

ビット荷重(ton)

30

掘進率
ビット荷重

20

0700

圧力(kPa)ケリー + インサート

1400

1500

1600

1700

泥水比重(SG)

掘進率(m/hour)

30

1.0
1800

7

武佐岳地域における掘進率向上について
30

マッドポンプ： 8P-80×２台 吐出量(95%効率) 2,175 L/min (574GPM)

ROP(Mudlog)
SMMG-1D(高出力DHM+PDC)
実証試験
近隣坑井① (R/T+トリコン)
近隣坑井② (R/T+トリコン)
近隣坑井③ (従来型DHM+トリコン)
近隣坑井④ (R/T+トリコン)

25

ROP (m/hr)

20
均質なデイサイト質凝灰岩

主にデイサイト質凝灰岩
凝灰角礫岩
粘土/ドレライト/デイサイト質凝灰岩/玄武岩
凝灰角礫岩/デイサイト質凝灰岩/デイサイト互層
互層区間

1510
高出力DHM+PDCビット使用
SMMG-1D

5高出力DHＭ+PDCビット使用(平均)

近隣坑井①,②0800

Std.PDM+トリコンビット

1000

1200

近隣坑井③

近隣坑井④1400

1600

1800

Depth (m)

平均的にみると1.5倍程度に増大しているが，局所的に見ると5倍以上に増大している区間もある

8

（参考）他地域における掘削パフォーマンスの評価結果(1)
ROPの比較（12-1/4"坑 Mud Pumｐ2台）

ROPの比較（12-1/4"坑 Mud Pump1台）
 国内地熱地域A (同一基地，12-1/4”坑，トリコンビット)
1212Well A-1
従来DHM PDM
Standard10Well A-2
高出力DHMPDM
Extended

6Well A-4

42201,100

1,300

1,500

1,700

Depth [m]マッドポンプ(8P-80) ２台使用時の高出力型PDMによる掘進率比較

高出力DHM
Extended PDM

64900

Well A-3
R/T

8ROP [m/hr]

ROP [m/hr]

10Well A-1
R/T

8Well A-3
従来DHM
Standard PDM

00100

200
Depth [m]300400

マッドポンプ(8P-80) １台使用時の高出力型PDMによる掘進率比較

高出力DHMを使用することにより掘進率の大幅な向上が確認された(約1.5～3倍)。マッドポンプ(8P-80)を2台使用の場合。
マッドポンプ(8P-80)が1台しか使用できない掘削では掘進率向上の効果は確認されなかった。
(環境省 (2012) 平成23 年度 地球温暖化対策技術開発等事業（自然環境への悪影響を回避・最小化した地熱発電に関する技術開発）委託業務 成果報告書. p.182.)9

（参考）他地域における掘削パフォーマンスの評価結果(2) 国内地熱地域B (同一地域，12-1/4”坑，トリコンビット)2520

掘進率(m/hour)
ROP (m/hr)

マッドポンプ ２台使用

Well
高出力DHM+ モーター用トリコンビット
WellB-1
B-1
Ext.PDM(MWD)+MortorBit
BHA
E Ext.PDM(MWD)+MotorBit BHA
Well
A
Well
B-1
ロータリーBHA
Well
B-1
Rotary BHA
EWell A従来型DHM
Rotary BHA
Well
WellB-2
B-2
PDM(STS) BHA
F PDM(STS)Well B
BHA
Well
ロータリーBHA
WellB-2
B-2
Rotary BHA
F Rotary
Well
B
BHA
Well
B-3
従来型DHM
Well
PDM(STS)BHA
BHA
G PDM(STS)
WellB-3CWell
B-3GロータリーBHA
Well
Rotary BHA
BHA
WellB-3
C Rotary
Well
B-4
Well
B-4
PDMBHA
BHA
H従来型DHM
Well
DPDM【12-1/4"坑ROP比較】

Well B-1 ロータリーBHA

15Well B-3 従来型DHM

Well B-1 高出力DHM

10Well A/Ext.PDM+MotorBit

Well C/PDM

5Well B/PDM
Well B/Rotary
Well C/Rotary

Well B-3 ロータリーBHA

Well D/PDM

Well B-2 従来型DHMWell B-4 従来型DHM

0400

500

600700Well B-2 ロータリーBHA

800

900

1000

1100

1200

Depth (m)
掘削深度(m)12-1/4”坑における掘進率の比較結果

12-1/4”坑における掘進率の比較（同一地域）

 同一地域における近隣坑井との比較では，高出力型PDMを使用することにより全体的に掘進率の大幅な向上(約1.5～3倍)を確認することができた。
(環境省 (2013) 平成24 年度 地球温暖化対策技術開発・実証研究事業（自然環境への悪影響を回避・最小化した地熱発電に関する技術開発）委託業務 成果報告書. p.207.)10高出力DHM適用結果まとめ
 武佐岳SMMG-1Dの掘削では，事前検討により高出力DHMおよびPDCビットの組合せを国内で初めて使用した。
 その結果，従来と比較して掘進率は平均的にみると1.5倍程度に増大しているが，局所的に見ると5倍以上に増大している区間もある。また，それほど掘進率が伸びていない区間もある。これは主に地質による影響と考えられる。
 高出力DHMおよびPDCビットの組合せで成果が得られたことで,トリコンビットよりも高回転数および高トルクが必要とされるPDCビットにも広範囲に適用可能な掘削用ダウンホールモーターであることが実証された。
 8Pポンプの仕様からすれば2,800 L/min(750GPM)の吐出量が可能であることから,高出力DHMをより高回転・高出力で稼働させられることで，更なる掘進率が期待できる。
11

現地写真

ABH (Adjustable BentHousing)部

ABH角度調整スリーブスタビライザー取付け

スタビライザー取付け部

MWDによるツール
フェイス監視Bit box(6-5/8” Reg)

高出力DHM現地搬入

12-1/4” PDCビット
Hughes: QD605FX
IADC: M323)

フロアーへピックアップ

高出力DHM降下直前

コントロール掘削作業中
12

ご清聴有難うございました。

27