令和2年度 - 令和3年度「地熱貯留層掘削技術(PDCビット)実用化のフォローアップ共同研究」地熱井用PDCビットのガイドブック令和4年6月独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構株式会社クリステンセン・マイカイ
1.技術開発した地熱井用PDCビットのガイドブックについて1 2. PDCビットについて2 2-1.   PDCビットの特性2–2.  PDCビットの各部名称3.  PDCカッター 3 4. ビットデザイン4-1. ビットボディゲーシ4-2. 4-3.  PDCカッターの配置方法4–4.  PDCカッターの設置角度4-5.  PDCカッターのエクスポージャ4-6. アレスタ4-7. ハイドロリクス5.    堀削5-1.使用前の諸準備5-2.ビットの降管10 5-3.掘削方法5–4. ビットの洗浄5–5. ビットの揚管5-6.実掘削データの事例6. ビットの評価6-1. 摩耗度評価(ダルグレード評価) 6-2. 経済性の評価7. おわりに34 8. 用語集44 22 35

1. 地熱井用PDCビットのガイドブックについて
本ガイドブックは, 平成27年度から平成30年度の4年間にわたり実施した「地熱貯留層掘削技術開発（地熱井用PDCビット(PDC : Polycrystalline Diamond Compact :多結晶ダイヤモンド焼結体））」において設定した３つの開発目標「掘削能率：従来技術の2倍向上」,  「耐久性：従来技術の5倍増」および「ビットゲージ落ち：1/16インチ以内」の全てを達成した地熱井用8-1/2  in. PDCビット（都築他,  2022)ならびにそのビットをベースに令和3年度から令和4年度の2年間にわたり「地熱貯留層掘削技術開発（PDCビット）実用化のフォローアップ共同研究」において製作した2丁の地熱井用8-1/2  in. PDCビットの仕様をベースとして, 石油技術協会編ビットマニュアル（1995）に基づき,新たに地熱井用PDCビットの取り扱い内容等を取りまとめたものである。
2.  PDCビットについて
2-1.   PDCビットの特性多くの地熱井掘削では,断裂系の地熱貯留層を掘り抜くために傾斜井掘削が採用される。傾斜井掘削でマッドモーター（8.用語集）を使用すると,ビット回転が高速回転になるためにローラーコーンビット（8.用語集）ではベアリング部が損傷して脱落する危険性が伴う。ベアリング部のないPDCビットはその危険性を回避できるため,マッドモーターの使用に適したビットと言える。ここで， PDC ビットで高い掘進率と長いビット寿命を得るための留意点を提示する。
3.  PDCカッター
技術開発したPDCビットは,  PDCカッターとPDCビットデザインの両面から開発を実施し， 9丁のPDCビットをその両面からアプローチして製作し，現場実証試験と室内試験を実施して,ノズル（8.用語集）数,ハイドロリクス,カッター取り付け方法，カッター取り付け角度およびカッター配置の検討等，様々な課題を解決して現状モデルに到達した。中硬岩から硬岩での使用を想定している技術開発したPDCビットに要求されるPDCカッター（以後,カッターという）については,耐摩耗性に加え,耐衝撃性の向上が求められてきた。しかしながら，通常はカッターの組成上の特性から，耐摩耗性を上げれば耐衝撃性が下がり，耐衝撃性を上げれば耐摩耗性が下がるといった相反関係になるため,両方の性質を満足すべきカッターの改良が進められた。技術開発した8-1/2  in. PDCビットで新たに開発したφ13.44  mmのPDCカッターは，耐摩耗性，耐衝撃性の両方の性質を具備したカッターとして改良が実施されたものである。
4. ビットデザイン
IADC ( International  Association  of  Drilling  Contractors ) コ一ド(Brandon et al. 1992)によるPDCビット区分を表1に示す。
PDC ビットのビットプロファイル（8.用語集）は,ビットの中心線からゲージまでのコーン,ノーズ,テーパー,ショルダー,ゲージの最大5つの領域を含んだビットの概略形状を表し,ビット径に対するノーズからテーパー部を含むショルダー領域までの放物線の長さによって概ね図4に示すIADCコード2, 3, 4に区分される。技術開発した8-1/2  in. PDCビットは, マトリックスボディ（8.用語集)（M), カッター数50以上(4), カッターサイズ8  mm以上,  14  mm未満(3) , ビットプロファイル(3)に相当するため,  IADCコードははM433に区分される。以下に, 技術開発した8-1/2  in. PDCビットのビットデザインについて示す。
4-1. ビットボディ
ウォーターベースの掘削泥水にはマトリックスボディのPDCビットが主流であり,スチールボディ（8.用語集）に比べてコスト増となるが耐摩耗性に優れているため,技術開発したPDCビットではタングステンカーバイドを主成分とするマトリックスボディを採用している。
4-2. ゲージ
技術開発した8-1/2  in.PDCビットは,傾斜井掘削用のマッドモーターとロータリードリリング（8.用語集）の併用による高速のビット回転使用に対して,マトリックス母材からなるスパイラル形状のゲージブレード表面の耐摩耗対策として，超硬およびTSP (Thermally stable Polycrystalline :熱安定性多結晶ダイヤモンド)  (8.用語集）チップを埋め込んだゲージ強化対策を施しており,ゲージ部のカッター設置角度についても耐摩耗性向上に関しての特許を取得している（特許第6543297号, 発明の名称: PDC ビット, 特許権者:独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構）。更には,ビットマニュアルによれば, 以下の使用方法ではゲージを長くする必要があるとされ,技術開発した8-1/2  in. PDCビットでは,このような使用方法に適合可能なゲージ長を採用し，ロータリー掘削時の直進安定性を向上させている。 •坑芯軸に対して真直ぐに掘る場合（垂直井なら垂直に,傾斜井なら沿角に掘る。) ・マッドモーターで掘削する場合(モーターのバックトルクによるLeft Hand Walk （平断面図上の坑跡が左に向こうとする動き）の影響を受けないため。） 4-3.   PDCカッターの配置方法(1) フェース用カッター（ビット刃面）フェース用カッターには, ブレード前面に配置している50 個の前列カッターに加えて，切削負荷が高い刃面領域には前列カッターと同一円周上に配置した後列カッターを合わせて25個配置している。 (2)　ゲージ用カッターゲージ用カッターは, ブレード毎に各1個ずつ計8個を配置している。
4-4.  PDCカッターの設置角度
PDCカッターの設置角度については,バックレーキ角（8.用語集）とサイドレーキ角（8.用語集）の2種類があり,地層の硬さや用途によって,その角度を適正に設定する必要がある。ビットマニュアルによれば,図6のとおりバックレーキ角はカッター面とビット軸との角度,サイドレーキ角はカッター面とビット放射軸との角度を示す。通常前者はビットフェースと鈍角に開いており,後者は外側に向かって開いている。バックレーキ角を大きくすると掘進率は低下するが,地層からの反力を正面から受けないため個々のカッターの負荷が軽減されて，硬質地層に遭遇してもカッターのエッジの摩耗を緩和し,ビット寿命を延ばす働きをするとされている。したがって均質な超軟質層ではこの角度を小さくするほうが掘進率はよいが，硬質地層の介在が予想された場合は, ビット寿命を延ばすためにはバックレーキ角を大きくする。サイドレーキ角も同様に大きくすると掘進率は低下するが，切削された掘り屑（以下,カッティングスという。）がビットの外側に向かって押し出されるため,ハイドロリクス作用と協調してカッティングスを効率良く掘削面から排除できる。したがって掘削面のクリーニングが問題なければこの角度を小さくするほうが掘進率はよいが,クリーニングに問題がある場合には，角度を大きく取ることで改善できることもある。 ー方で，カッターはビットの中心側に配置されているものほど切削スピードは遅くビットの外周側は速いので，その効果に差が出ることも念頭におく必要がある。技術開発した8-1/2  in. PDCビットでは, 後列カッターを装備した前列カッターについては,バックレーキ角を小さくした掘進率重視の設定を行い,後列カッターでは前列カッターよりもバックレーキ角を大きくして,カッターのエッジの摩耗を緩和できるように設定している。そして，最外周領域に配置される前列カッターについてはバックレーキ角を後列カッターと同じ角度に設定し,耐衝撃性と耐摩耗性の向上を図っている。
4-5.  PDCカッターのエクスポージャ
PDCカッターのエクスポージャは, 図7のとおりカッターのエッジからビット刃面のマトリックスボディ表面までの高さである。地質と掘削条件によって，適正なエクスポージャを設定する必要がある。技術開発した8-1/2  in. PDCビットでは, 同一円周上に後列カッターが配置されている前列カッターのエクスポージャを5. 4  mmに設定し,それ以外の前列カッターは4.9  mm から5.4 mmとしている。そして，後列カッターは全て前列カッターよりも0.5  mm低い4.9  mmに設定しており,掘削開始時には前列カッターと同時に切削には寄与しないため, 低いビット荷重(8.用語集)でも前列カッターが地質へ食い込みやすく,適度な掘進率が得られるようにしている。
4-6. アレスタ
掘削中に最も衝撃力を受けるビット刃面の各ブレード外周部には,その前方に配置されているカッターを保護するために，ビットボディと同じマトリックス材から成形された衝撃抑制用部材（以下,アレスタという。）を,後列カッターが配置されている1つのブレードを除いた残りの8ブレード中の7ブレード上にそれぞれ1カ所設けている。アレスタのエクスポージャは,それぞれの前方に配置されているカッターのエクスポージャと同じ高さに設定している。
4-7. ハイドロリクス
ビットマニュアルによれば, PDCビットを用いる場合,まず,ビットハイドロリクスに関しローラーコーンビットと比べ基本的な違いは,ボトムホールクリーニングの指標としてインパクトフォース泥水のノズルからの流れによって抗底に与えられるカ)は用いず, ハイドロリックホースパワー (ビットノズルで消費される水馬力)のみを用いるとされている。またビットの張り付きと冷却がより大きな問題である。したがって泥水性質と共にハイドロリクスは大きな役割を果たす。つぎに, PDCビットではカッターのせん断力によって高い掘進率が得られるため,坑底において大量に発生するカッティングスを滞留することなく排除しなければならない。そのため,坑底からのカッティングスを含む掘削流体を素早く排出するためにゲージ部にはジャンクスロット（8.用語集）を設ける必要がある。さらに,掘削流体によるカッターのクリーニングも重要であり,合わせてカッターの耐熱性の問題から冷却効果を高める必要がある。
5.     細前
5-1. 使用前の諸準備5-1-1. ノズルの選定および装着方法(1)　ノズルの選定に伴うフローエリア（ビットの掘削流体の通過面積）の算出方法リグの規模によって決まる掘削循環流体の環状流速，泥水循環量，ポンプ圧力には限界があり,それらの制約条件下で最大のハイドロリックエネルギーを得るために必要となるノズルの内径（面積）を選定しなければならない。この時，ビットのハイドロリックエネルギーの効果的なレベルを確認するために使われるパラメータが,ハイドロリクスホースパワー/in²（以下, HSIという。）であり,以下のように求めることが出来る。 • Hydraulic Horsepower/in²  （ハイドロリクスホースパワーインチ） HSI= HA  [HP/in²] • Hydraulic Horsepower  （ハイドロリクスホースパワー） HHP＝ ΔPB × Q  [HP] 1747 • Bit Pressure Drop (Nozzle Pressure Drop)    (ビット圧力損失) ρ × Q² Δ PB = · 10858 (FA)²    [psi] • Flow Area (Bit Nozzle type)    (フローエリア) =N × An  [in²]        (ノズル仕様のビット) ※ウォーターホールが配置されている場合は,当該ホールのエリアを加算する
技術開発した8-1/2  in. PDCビットのノズル装着箇所は6カ所であり, ビット中央領域にはφ 10  mmの大きさで2カ所のウォーターホールを設けている。表3は,ノズルのサイズ毎のノズルエリアAn [in²]の早見表であり，選定したノズル6個分のAn面積にウォーターホールのフローエリア（φ10 mm×2カ所）0.243 [in²]を加えたものが, トータルフローエリアTFA (8.用語集) [in²]として計算される。
ビットの圧力損失は，一定の泥水循環量の下で最大のHSIを得るために要求されるもので，ビットにおける最大圧力損失を考慮する必要がある。ビットの最大圧力損失はポンプの可能最大圧力からビットを除いた地上部，管内，環状部の圧力損失を差し引いた残りの圧力である。もしビットに最適なハイドロリクスを得るための圧力が供給可能なポンプの可能最大圧力を上回った場合には,ビットのHSIの値を下げるかまたは泥水循環量を減らす,又は両方ともに下げる方向で調整する必要がある。泥水循環量は多量のカッティングスをアニュラスに排出するために十分な量の確保が必要であるが，一方で坑壁への過剰な浸食が影響しないようにしなければならない。ビットの圧力損失は,ビットノズルの面積,泥水循環量,泥水比重によって決定し,ノズルの選択によってビットのジェット（8.用語集）作用効果が決められる。
(2)　ノズルの装着方法
技術開発した8-1/2  in. PDCビットでは, 2カ所のノズル装着部とφ10 mm, 2カ所のウォーターホールをビット中心領域に, 4カ所のノズル装着部をビット刃面の約2/3半径の領域にそれぞれ設けて,ビット中心部から外側へ刃面上のカッティングスを効率的に洗浄できるように配置している。
①　ノズル装着部の掃除
ノズル装着部のネジ部および0リング溝にゴミや残留物がないか確認し,パーツクリーナー等の洗浄用スプレーを使用して,ブラシ,ウエス等できれいに拭き取る。
② 0リングの取り付け
0リング全体にグリースを薄く塗り, 0リングに傷がつかないよう指先で押し込むようにして所定の0リング溝内にはめ込む。そして，必ず0リングが溝から出っ張ってないことを目視と指先の感触で確認し,ネジ部に付着したグリースはパーツクリーナーとウエスできれいに拭き取る。
③　ノズルの取り付け準備
ノズルの締め込み中に0リングを傷つけないように,ノズルの先端部にはグリースを塗り,ネジ部には緩み止めのネジロック剤をネジの最初の2～3山に塗布する(ネジロック剤は,ネジの締付けに伴い残りのネジ山にも拡がっていくため）。使用するネジロック剤は嫌気性接着剤であり,所定のネジ部への塗布後に徐々に硬化が始まるが，完全硬化までには一定の時間（硬化時間は環境温度により変わる）がかかるため,ビット使用までの時間を考慮して準備をする必要がある。
④　ノズルの締め込み
選定したノズルをノズル装着部に入れ込み,ノズルレンチを使用して片手でノズル先端が0リングに到達するまで締める。その途中で，何らかの抵抗感がある場合には, ー度ノズルを取り外して，もう一度ゴミや残留物がないか，ノズルのネジ山に傷等がないかを確認し，無理やりに締めこんではいけない。ノズルの先端部が0リングに到達した時点で0リングへの締め付け抵抗が大きくなるが,更にしっかりと両手で締め付ける。
5-1-2.   PDCビットの前準備
PDCビットを使用するための準備は,現在使用中のビットがロータリーテーブルから揚管された時点から必要である。まずは，坑内に物が落下しないように早急にテーブルカバー等でロータリーテーブルを覆い，引き揚げられたビットの損傷等について確認し,ジャンク（8.用語集）が坑内に残されていた場合は,坑内から除去されるまでPDCビットを使用してはいけない。 PDCビットを箱から出す時や櫓下へ引き込む際には,鉄製の物にぶつけないようにし，リグフロア一上でも転がしたりしないようPDCビットの取り扱いは万全の注意を払う必要がある。ビット刃面上のカッターは,木材片や厚いラバー材の上に乗せるようにして置く事で,カッターの損傷を防ぐことができる。そして,ビットのシリアルナンバーを記録し,ビットの内部に何か異物などが残されていないことも必ず確認する。ビットを接続して締め付ける際には,ネジを傷めたりカッターを欠けさせたりしないよう慎重に行い，専用のビットブレーカーを使用して適正トルクで締め付けを行う。当該8-1/2  in. PDCビットの締め付けトルクを表4に示す。

5–2. ビットの降管
ビットマニュアルによれば,ビットがロータリーテーブル, BOP,ケーシングシューおよびライナーハンガー頭部を通過する際や，予めその深度が分かっているタイトスポットやドグレグシビリティ（8.用語集）の高い所を通過する場合は，それらに引っ掛かったことによる衝撃によってカッターを欠けさせることのないようスピードを抑えて揚降管しなければならないとされている。降下の途中でタイトスポットによる浚いの必要性が生じたら,低ビット荷重(1～2トン),高フローレート(掘進時に予定しているフローレートと同程度）で浚い，テーブル回転は，せり込みによる抑留を避けるために80～100  rpm程度が適当である。ただしPDCビットによる浚いはできるだけ避けることが望ましく，必要であればワイパートリップによって坑内を良好な状熊にしておくことが重要である。PDCビット使用前のビットにゲージ摩耗が確認された場合には，PDCビットはそのまま使用せずに，坑底まで別のビット等でリーミングによる坑径の補修を実施する必要がある。リーミング中はゲージカッター部分に圧縮および楔作用による高荷重が作用するために，実際には荷重計に表示される以上の荷重が掛かっているために，ゲージ部付近のカッターが損傷し，PDCビットに深刻な損傷を与えてしまうことを回避するためである。坑底まで坑径がフルゲージであっても，埋没に突っ込むことを避けるために，少なくとも最後の１ジョイントは循環しながら40～50  rpm程度でゆっくりと降下し，必要であれば浚いを行う。坑底に到着したら，クリーニングのために15～30  cm程ケリーを張り，２〜３分間循環する。理没があった場合は管動しながら少し長めに循環する。
5–3. 掘削方法
ビットマニュアルによれば，掘進を開始して1 m程度掘るまでは，ビット荷重は0.5～1トン,テーブル回転は30  rpm (マッドモーター使用の場合は,テーブル回転数に100-120   rpmが加算される）前後に抑えてビットのパターン（図13参照）を形成させることが望ましいとされている。地質が硬い場合，最初の30   cm程度の掘削にも時間を要すこともあるが，PDCビットの新たなビットパターンが坑底に成形されるまでは，全てのカッターが坑底に接触していない状態であるため，時間をかけて掘削する事が重要である。その後，ビットのパターンが確立されたら回転を80～90  rpm程度に上げて,適度の掘進率が得られるようにビット荷重についても3トンまでを目安に徐々に上げていく。その後は徐々に荷重および回転を増加させ，掘進率の最も良い最適なパラメータを見つけて掘進する。たたしその場合もフローレートはできるだけ高く維持することが不可欠である。近年はマッドモーターと併用されることが多く,ロータリー回転のみで最大100 rpm, マッドモーターとの併用では130～最大200  rpmまでがPDCビットの回転使用域となるが，通常100〜150  rpmにおいて最適の掘進率が得られることが多く，回転数が掘進率を改善するための最重要掘削条件の一つとなるPDCビットにおいて, ビット荷重は極力抑えながら一定の掘進率が得られることが望ましく，岩質の変化によって一時的に掘進率が低下しても，むやみにビット荷重を増加することは避けるべきである。ビット荷重を増加することで一時的には掘進率は改善されるが，地層が硬い場合には過剰にカッターの摩耗が進みビット寿命が短くなる。また，急激なビット荷重増の場合にも，カッターの損傷が発生しビット寿命を短くしてしまう。PDCビットのビット寿命を延ばすためには，極力ビット荷重を抑えて，適度の掘進率をいかに長く維持できるかが肝要となる。そして，掘削当初に比べて2倍を超えるようなビット荷重でも掘進率が徐々に低下するような状態が継続するような場合には，カッター自体の損耗が進んだ状態であり，ビット寿命に近づいていることが予想されるため，掘削コストとの兼ね合いから次のビットとの交換時期を検討する必要がある。上述の方法でも，最初から掘進率が上がらない場合には，地質がPDCビットの使用には合ってないと判断するべきである。
5–4. ビットの洗浄
張り付きとは，ビットによって削り取られたカッティングスが坑内機器に粘着・凝集する事を言う。張り付きがビットに起これば掘削率の低下が起こる。ウォーターベース泥水を使って，軟らかく粘性のある地質を掘削した時には，ビットがボールアップ（8.用語集）の状態になる事がある。掘削中のオンボトム（ビットが坑底に着岩）の状態でボールアップになった時には，通常，掘進率とトルクが低下し，ポンプ圧力が上昇する。この場合，坑底からビットを上げる（オフボトム）とポンプ圧力は下がる。ビットを洗浄するためには，ビットを坑底から上げて泥水循環量を最大にして，通常の回転でほぼ坑底近くまで降ろす。この位置で新たなカッティングスを発生させないでビットの表面を10～15分間洗浄する。このオフボトム状態で,循環を継続しながら短い時間に限定して，ビットを高速で回転させてビット表面の張り付きを振り落とす。それでも，ボールアップが解消できず，泥水循環量をそれ以上に増やせない場合には，掘進率が許容できる範囲であれば掘削を継続する。そして，ビット洗浄が何度も必要な時や掘進率が低下して掘削コストに合わないと判断された場合にはビットを交換し，より洗浄が容易なデザインのビットを選択するべきである。ノズルが詰まった場合は，掘削中のポンプ圧力が上昇するため，その場合にも上述のビットの洗浄方法によって解消できることがある。更には,ビットを9～12　m程度坑底から上げてから1.5～3  m降ろして急停止し，ビットへ掘削循環流体の波動を発生させる方法もある。1個のノズル詰まりであれば，この詰まりは解消されなくとも,カッティングスの排出に問題なく掘進率が許容出来る範囲にある場合には，掘削中にノズルの詰まりが取り除かれる事もあり，PDCビットを継続して使っても問題はない。しかしながら，ノズルの詰まりにより，坑内の洗浄が出来ないほどに泥水循環量が減少したりノズルの詰まりからビットのボールアップが発生したと考えられる場合には,ビットを揚管してノズルを洗浄しなければいけない。
5–5. ビットの揚管
最終的には掘進率の著しい低下によって，ビットの揚管を判断する。PDCビットの正常なカッター摩耗が進行し，これ以上の掘削が不可能となった場合にはビット寿命となる。その場合，著しい掘進率およびトルクの低下が見られポンプ圧力が上昇するが，これは掘削循環流体が通過するビット刃面と地質の隙間が制限されるためである。そして，ビット揚管の判断には，もう１つ重要な方法があり，使用中のビットの掘削コストを決められた間隔で評価する事である。使用開始からの掘進率は，ビットのカッター摩耗の進行に伴い徐々に下がってくることで，ビットの掘削コストは上昇する。その結果，掘削コストの損益分岐点を下回る状況になった場合には，ビット寿命前であっても新たなビットへ交換して，掘削コストの向上を図る必要がある。
5-6. 実掘削データの事例
実際に当該8-1/2  in.PDCビットを使用し，1478-1995 m区間の477 mを掘削した現場の掘削データについて，ビット荷重と掘進率のグラフを図14に示す。対象岩石は火山礫凝灰岩で，一軸圧縮強度は138MPa～182MPaと推定された。掘り止めまで延べ3回の揚管が実施されており, 一回目(Run1),  2回目(Run2)は共にボトムホールアッセンブリー (BHA)の編成替えであり, ３回目(Run3)は掘り止め(TD)によって引き揚げられた。表5は，全掘削期間をRun1，Run2，Run3に3分割した区間毎の掘削データである。図14　掘削中におけるビット荷重と掘進率の推移

(1)  Run1区間
掘進開始時は，PDCビットのビットのパターンを形成させるためにも，ビット荷重は１ ton程度に抑えて，ロータリー回転させながらゆっくりと降下させる必要があった。ロータリー回転に加えマッドモーターを使用しているため，ビット回転数は既に160 rpm(40 rpm +120 rpm)以上となっていた。この掘削初期段階において掘進率が2～3  m/hr程度であったため,ビット荷重を３ tonまでを目安として徐々に上げていき，ビット回転数も最大190  rpm までの範囲で調整し，掘進率は10～20  m/hrまでに増加した。67  mの掘削長となったRun1では，表5に示す通り平均のビット荷重は3.3  tonであり, 平均の掘進率は13.7  m/hであった。使用開始時のPDCビットのカッターは摩耗もなく鋭利な状態で切れるため，多量のカッティングスの排出量にも注意しながら，掘進率を制御する必要がある。PDC ビットの使い始めの段階で最も重要な点は，適度な掘進率が得られるように優先してビット荷重とともにビット回転数を制御することであり，岩質の変化によっては一時的に掘進率が低下しても，むやみにビット荷重を上げることはしないで，その状況を見守ることが肝要である。
(2)   Run2区間
Run2開始後も一定の掘進率を維持していたが，累計120   m  掘削後には掘進率が低下してきたため，徐々にビット荷重を４ tonまで上げていった。しかしながら，岩質が硬くなったために，累計140 mの掘削時点では5 m/hrを下回り，累計160 mの時点ではさらに3  m/hrまで低下した。このため,ビット荷重を更に6  ton超まで上げてからは，掘進率は改善され10  m/hrを超える状況で推移した。以降はビット荷重6 ton超を維持しながらも，一定の掘進率が得られた。この区間の掘進長は，289 m（累計356   m）であり，その間には傾斜および方位修正のために3回のスライドが実施された。Run2の平均のビット荷重は6.4  tonであり，平均の掘進率は10.5  m/hrであった。掘進率の低下については，岩質が硬くなったことに加え，前列カッターの初期摩耗が進行して，後列カッターと合わせて掘削する状況となったために，掘削に寄与するカッター数が増えて，Run1に比べて2倍程度のビット荷重が必要になったと考えられた。そのため，Run1に比べてRun2区間の平均のビット荷重は6.4  tonに上がり，平均の掘進率は多少低下して10.5 m/hrとなったが，掘り止めまでの残りの掘削長についても十分に使用可能な状態であると判断した。 (3)   Run3区間Run3では,徐々に掘進率が低下する状況となったが,掘進率が5 m/hrを下回るまでは，ビット荷重7  tonを維持しながらその途中で1回のスライドを実施して掘削を継続した。そして，さらに掘進率が低下したため，ビット荷重を９ ton超まで上げて掘削を継続し，掘り止めの深度まで到達したが，残り30 mの掘進率は，2～3 m/hrまで低下していた。その結果，Run3区間の平均のビット荷重は6.9  tonとなり，平均の掘進率はさらに低下し8.5 m/hrであった。 Run1,  Run2,  Run3を通して, これまでPDCビットには適さないとされてきた, 硬質，高温および多数の亀裂を介在する不均質な断裂系地熱地層に対して，現場実証試験において十分な掘削性能を有していたことを示した。
6.ビットの評価
ビットの揚管後は，摩耗度評価と経済性の評価を行う。ビットの摩耗度評価については，掘削途中において何らかの理由により揚管する場合にも実施し，カッターの摩耗進行の状況を把握することで，ビットの掘削条件の見直しやビット寿命に到達するまでの使用可能な掘削深度の予測にも役立つ。そして，ビットの摩耗状況を正しく評価することは，次に降下するビットの選定に寄与するばかりではなく，今後周辺で掘削する坑井でのビット選定にも役立つことになり非常に重要な作業である。
6-1.    摩耗度評価（ダルグレード評価）
ビットにおける摩耗度の評価によって得られる情報は非常に重要である。この摩耗度評価基準は，IADCによって当初に定められたローラーコーンビットを対象にしたビット摩耗度評価システムであった。その後，PDCビットを含む全てのダイヤモンドビット（8.用語集）を対象としたフィックスドカッタービット（8.用語集）損耗評価法(Brandon et al., 1992a)に改定され,ビット摩耗度評価システム表(1995)石油技術協会にも紹介されている。表6は，このビット摩耗度評価システム表にある歯の摩耗度合いの表示図をPDCビットの菌であるカッターに差し替えたものである。
ビット摩耗度評価システム表の使用方法について，平成27年度から平成30年度の4年間と令和３年度から令和４年度の２年間にわたり製作した地熱井用8-1/2  in. PDCビットについて,現場実証試験後に評価した具体例を交えながら以下の通り説明する。
表7のフィックストカッタービット損耗評価では，以下の8項目が対象となる。下記に, 当該8-1/2  in. PDCビットの損耗評価実例を用いて説明する。
カッター評価となる「掘削菌の摩耗」については，ビット刃面上の中心から①ビット半径内側2/3までの領域と②外側1/3の領域に分け,図15に示すカッターの摩耗度を0〜8の9段階で評価し，それぞれの領域について平均の摩耗量を算出する。 ①，②についての算出方法を下記に示す。なお，②については，ゲージカッターは含まない。
(カッター摩耗度評価)
ビット刃面を図16に示す。このビットは8ブレード構成となっているが,その中の奇数Noブレード(No. 1, 3, 5, 7)はプライマリーブレードと呼ばれ,ビットの中心領域でつながった形状でありブレード長が長い。一方で，残りの偶数Noブレード(No. 2, 4, 6, 8)は，セカンダリーブレードと呼ばれ，それぞれプライマリーブレードの間にあり，ブレード長が短くなっている。そのため，カッター摩耗度評価の一例として2種類のブレード群からそれぞれブレード1とブレード2を選択し，それらのカッターの摩耗度を図17に示す。同様に他のブレードの各カッターの摩耗度を纏め
①　内側の摩耗度の評価内側の摩耗度の合計=内側のカッター数20 ll 1（小数点以下切り上げ） 30 ②　外側の摩耗度の評価外側の摩耗度の合計= 75 45外側のカッター数2（小数点以下切り上げ） ll
③　カッターの形状変化
表6の(3)から該当する最も顕著な事例を選択する。カッター形状変化(最も摩耗度の大きいカッター）を図 18 に示す。その評価は，「WT」(カッターの摩耗)とした。
④　部位
③において選択された事例のビット刃面の領域を記載する。カッター形状変化評価は「WT」(カッターの摩耗)であり,そのカッターの配置領域は,図19に示すショルダー領域であった。図19   選定されたカッターのビット刃面領域
⑤　ベアリング／シール
回転機構を持たないフィックスドカッタービットには適用されないため，対象外となる「X」を記載する。
6ゲージ摩耗評価
摩耗がなければゲージ落ちなしを意味する「1」コードを選択し，ゲージ落ちがある場合には，表9に示すゲージ摩耗評価から適合するコード(1/16  in.単位)を選んで表記する。当該ビットでは,ゲージ落ちなしの「I」評価とした。

備考（他の形状変化）
D
③において選択されたカッターの形状変化の事例を除き，カッターおよびその他の形状変化について，同様に最も該当する事例を表6から選択し記載する。カッター形状変化（最も摩耗度の大きいカッター）「WT」の形状変化としては，複数のカッターに破損が確認されたため，CT(菌の欠損)とした。
@表10から最も適合する事例を選択してその当該コードを記載する。表10  （8)使用停止の判断理由(Reason Pulled) (石油技術協会ビット摩耗度評価システム表からの抜粋)
掘削終了まで延べ3回の揚管が実施されたそれぞれの引き上げ理由を表8から選択し記載した。 • 1回目: 「BHA」編成替え• 2回目: 「BHA」編成替え• 3回目：「TD」掘り止め
6-2. 経済性の評価
ビットマニュアルによれば,掘削コストは次式により計算される。 B + R(T + t)    . C = F式a C ：単位掘削費(円/m) B ：ビット費(円/丁) R ：リグコスト(円/時) T  :掘削時間(時) t :揚管時間(時) F :掘進長(m)マッドモーターを使用する場合や特別な機材を使用する場合はその費用を加える。単位掘削費は, ①異なるビット間（同一坑井の他型種や他坑井間の同型種）での経済的評価, ②次に使用するビットの選択基準の一つである「ブレークイーブン分析」に利用・活用することができる。
6-2-1.   ブレークイーブン分析による評価法・活用法
ブレークイーブン分析とは，次に使用するビットを直前使用ビットと同額の単位掘削費で使用するための平均掘進率と掘削時間（ビット使用時間）を計算するものである。その相関をグラフに表したものをブレークイーブンカーブと呼ぶ。現使用ビットの掘進率と使用時間（または掘進長）の交点がブレークイーブンカーブの上方に記録されたら,その時点で現使用ビットは前使用ビットよりも経済的な効果（単位掘削費が低価になった）を得られたことになる。またブレークイーブンカーブはビットの取り替え時の判断基準の一つとしての活用法もある。 (1)   ブレークイーブンカーブの作り方技術開発した8-1/2  in. PDCビットの現場実証試験で, PDCビットを使用する前に使用した8-1/2  in.ローラーコーンビットとPDCビットの実績を例にして比較する。 【例】8-1/2 in.坑でローラーコーンビット（インサート）（IADC 537）を使用し下記の実績を得た。ビット費B : 800,000円/TリグコストR : 165, 000円/時（トップドライブエ法（8.用語集）を採用 。）掘削時間T : 56時間揚管時間t : 6時間掘進長F : 185 m (ビット寿命のため)ここで次使用ビットをPDCビットに取り替えた場合についてブレークイーブンカーブを描き，経済的効果をもたらすような掘進率・掘進長を求めてみる。式aよりローラーコーンビットの単位掘削費は, C = 800,000 + 165,000(56 + 6) ≒ 59,620円/m 185となる。次にブレークイーブンカーブを描くための掘進率（ROP）と掘進長Ｆを求める。 【PDCビットの場合】ビット費　B：5, 500, 000円/Ｔ式aより
B, R, t, Cを式bに代入すると, F  = 5,500,000 + 165,000(T + 6) = 108.9+ 2.8T 59,620
(つまり１ mあたり59, 620円にするTとFを求める)
表11   PDCビットのブレークイーブン表

(2)　次ビット選択としてのブレークイーブンカーブの活用法
ローラーコーンビット(IADC 537)で掘削時間56時間,掘進長185 m, ROP3.3 m/hrの実績から, PDCビットのROPを同じ3.3  m/hrと仮定するとおよそ掘削時間200時間，掘進長669 mでイーブン(ローラーコーンビットと同じ単位掘削費)となる。
a. PDCビットに取り替える条件
ROPがローラーコーンビットと同等と仮定した場合, ・地層がPDCビットに適しており，かつ669  m以上続いていることが予想される。 •ビット寿命は200時間以上と期待されること。これらa. の条件からローラーコーンビットそのままか,  PDCビットかを決める。 (3)　ビット取り替え時の判断としてのブレークイーブンカーブの活用法前使用ビットの単位掘削費での現ビットのブレークイーブンカーブを作っておき,掘進長に対する掘進率をプロットする。使用開始時は当然カーブの下方にプロットされる。使用するにしたがってカーブに近づく傾向が認められるならばそのまま使用しプロットがカーブの上方に記録されることを期待する。またいったん近づいたが，使用するにしたがいカーブより離れていく傾向となり，再度近づく傾向にならなければ,現ビットで前ビットと同じ掘削コストを求めることは出来ないと判断してビットを取り替える。前ビットの単位掘削費を現ビットの単位掘削費に置き換えても同様である。実際に使用したPDCビットの50  mごとの掘進長とその時点での平均ROPをプロットした点を青△で示す。 100 mまではブレークイーブンカーブよりも下方であったが, 150 mを超えるところからブレークイーブンカーブよりも上方に推移し,掘り止めとなった477 mまでの平均掘進率は6.7 m/hrであったことから,その時点での単位掘進長当たりの費用は,
となり，掘削費削減では，ローラーコーンビットで掘削をした場合の費用59,620円/m に比較して約64%となり,36%が削減されたことになる。時間短縮では，以下の様に試算される。
PDCビット: 71.7 + 6 = 77.7 (hr)時間短縮では,ローラーコーンビットで掘削した場合の159.9 hrに比較して約49%となり，51%が削減されたことになる。
7.おわりに
本ガイドブックは, 地熱貯留層掘削技術（PDCビット）実用化のフォローアップ共同研究の一環として，現時点の最終モデルとなる地熱井用8-1/2  in. PDCビット仕様をベースとし，ビットの設計製作や地熱井掘削現場での実証試験結果を通して得られたPDCビットを使用する時に特に留意しなければならない事項について取りまとめたものである。超硬岩に対しては今後の改良が必要である一方，これまでPDCビットには適さないとされてきた，硬質，高温および多数の亀裂を介在する不均質な断裂系地熱地層に対しても，高い掘進率と長いビット寿命に加え，外径変化においてゲージ落ちしないビットであることは，全断面ビットであるPDCビットにとって重要な事項である。本ガイドブックは，地熱井用PDCビット普及のための手始めの段階であり，今後の適用事例の増加とマッドロギングデータ等で得られた結果の分析により，さらに地熱井用PDCビットの優れた掘削性能について検討がなされ，地熱井掘削においてPDCビツトが汎用化されることを期待したい。
8.
用語集（ビットマニュアルからの引用）