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地熱発電技術研究開発事業

地熱貯留層掘削技術への取り組み

地熱部地熱技術課

2016年6月3日

平成２７年度事業成果報告会資料

地熱貯留層掘削技術背景および目的 1

3万kWの地熱発電所建設に係るコスト試算例

地表設備（発電タービンなど）（71%）［186億円］

地下調査と探査（28%）［73億円］

環境影響評価（1%）

地表調査（3%）［2億円］

坑井掘削（97%）［71億円］

（地開協、第3回調査価格等算定委員会資料より）

地熱発電所 3万kWモデルケース

調査・開発 73億円

うち地表調査 2億円

坑井掘削 71億円

環境影響評価 3億円

地上設備建設 183億円

総額 259億円

地下の調査・探査に要するコストのうち、坑井掘削にかかるコストが大半を占める。⇒坑井掘削のコストを抑える必要性⇒掘削作業を短期間で仕上げる⇒短期間にすることで機器損料を削減する

地熱貯留層掘削技術背景および目的

掘削作業の短期間化を目指すには、掘進能率を向上させること。

掘進能率を向上させるには、PDC※ビットが解決策のひとつとなりうる。

※PDC：Polycrystalline Diamond Compact（多結晶人工ダイヤモンド焼結体）

1973年に実用化されたPDCカッターは、PDCビットとして石油井の掘削に実用化されている。従来から使用されてきたローラーコーンビットと比べ、PDCビットは掘削速度が速く、ビットライフも長い。

この石油用のPDCビットは、地熱井の地層にマッチングする場合、しない場合があり、地熱に特化したPDCビットの開発が必要である。

2

地熱貯留層掘削技術目標－地熱用PDCビットの開発 3

ローラーコーンビット・坑井の掘削に広く使用されている。・回転部分あり。

PDCビット・PDCカッターをビットボディに埋め込んだビット・回転部分なし。

地熱井用PDCビットを開発する。

地熱貯留層掘削技術技術的な課題

目標は、地熱井用のPDCビットの開発。これを達成するため、(1)PDCカッターの開発、(2)そのカッターを装着したビットの試作を実施。

PDCカッターの課題

耐摩耗性に優れていること

耐欠損性に優れていること

耐熱性に優れていること

PDCビットの課題

掘進能率が優れていること

耐久性（ビットライフ）が

優れていること

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地熱貯留層掘削技術平成27～29年度スケジュール 5

項目 平成27年度 平成28年度 平成29年度

(1)PDCカッターの開発

カッターの製作・評価 カッターの改良・評価 カッターの改良・評価

(2)PDCビットの試作

カッター試験用コアリングビット製作

フィックスドカッタービットの製作・評価

フィックスドカッタービットの製作・評価

(3)PDCビットの実証試験

コアリングビットの室内試験・評価

室内試験

地熱フィールドにおける試験

地熱フィールドにおける試験

地熱貯留層掘削技術目標（平成27・28年度）

平成27・28年度の本技術開発の目標は、地熱用のPDCカッターを開発すること。

平成27年度はPDCカッターを用いたコアリングビット（右図）を製作し、室内実験によりPDCカッターの評価を行う。

PDCカッターの平成27・28年度目標値

一軸圧縮強度 200MPa（29,000psi）の花崗岩を使用して以下の最終目標値を設定する。

• 掘削速度： 7cm/min（4.2m/h）

• 掘進長： 160m以上

• 最大摩耗幅： 約4～5mm

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地熱貯留層掘削技術目標（平成29年度末時点）

平成29年度末時点における本技術開発の目標は以下のとおり（一軸圧縮強度が100MPa程度の地熱井を想定）。

掘進能率： 通常の2倍程度

8-1/2in孔掘削の場合 60m/日⇒120m/日

耐久性（ビットライフ）： 通常の5倍増

8-1/2in孔掘削の場合 150m/個⇒750m/個

8-1/2in孔長800mの場合（地熱井2000mの標準掘削）で、ビット交換の掘具揚降管回数を、5回から1回に削減する。

成果の波及効果の見込み（8-1/2in孔掘削の場合）

掘削コストの低減 500百万円のうち、21～25百万円削減（4～5%減）

掘削期間の削減 約100日のうち、6～7日削減（6～7%減）

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1

地熱井掘削用PDCビットの開発

宮下 庸介＊

三菱マテリアル株式会社株式会社クリステンセン・マイカイ国立研究開発法人産業技術総合研究所

＊

2

報告内容

開発体制、実施内容

PDCカッターの開発

室内掘削性能評価（コアビット）

岩石切削特性評価（PDCカッター）

PDCビットの開発

まとめと今後の予定

PDC : Polycrystalline Diamond Compact 多結晶ダイヤモンド焼結体

3

開発における各機関の連携

PDCカッター開発（三菱マテリアル）

PDCビット開発（クリステンセン・

マイカイ）

掘削性能評価（産業技術総合

研究所）

4

平成27年度実施内容

地熱井の掘削コスト削減に向けた地熱井掘削用PDCビットの開発

【平成27年度】・PDCカッターの試作・PDCビットの試作・試作ビットの室内掘削性能評価・工業所有権、技術動向調査

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報告内容

開発体制、実施内容

PDCカッターの開発

室内掘削性能評価（コアビット）

岩石切削特性評価（PDCカッター）

PDCビットの開発

まとめと今後の予定

6

ダイヤモンドの焼結①

お

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1000 2000 3000 4000

diamond

Temperature (℃)

Pre

ssure

(G

Pa)

graphite

4

5

6

7

1200 1600 2000

Co-C eutectic line 焼結領域

Temperature (℃)

Pre

ssure

(G

Pa)

graphite

diamond

ダイヤモンド焼結における状態図

PDC ： ダイヤモンドとCoの焼結体

7

ダイヤモンドの焼結②

Diamond Diamond Diamond

ネッキング

Diamond

ダイヤモンド粒子の焼結機構

溶融Co

8

超高圧発生装置

1. アンビル2. シリンダー3. 焼結素材

PDC原料（ダイヤモンドとCo等）／超硬合金

4. NaCl5. グラファイトヒーター6. スチールリング7. ガスケット

超高圧装置によるPDC焼結方法の概要

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PDCカッターの作製

組み込み

原料粉

超硬合金基体

取り出し研磨加工PDCカッター

超硬合金台金

ダイヤモンド粉末

超高圧焼結

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PDCカッターの試作

PDCカッターの外観（Φ8.2）

・開発PDCカッタ－・市販品２種類（耐摩耗性重視型、耐衝撃性重視型）

PDC層

超硬合金

室内掘削性能評価へ

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PDCカッターの組織

耐摩耗性重視型(市販)

20 μm 20 μm

黒色：ダイヤモンド

白色：Co20 μm

開発品

耐衝撃性重視型(市販)

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報告内容

開発体制、実施内容

PDCカッターの開発

室内掘削性能評価（コアビット）

岩石切削特性評価（PDCカッター）

PDCビットの開発

まとめと今後の予定

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コアビット（Φ66mm×44.8mm）

PDCカッター

14

室内掘削性能評価装置

計測・制御室

岩石供試体

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室内掘削性能評価装置【仕様】ビット荷重：30 tfトルク：300 kgf∙mビット回転数：

500rpm掘削流体流量：

220L/min

【掘削性能評価条件】●稲田花崗岩（一軸圧縮強度

約220MPa）●掘進速度：

7cm/cm一定●ビット回転数

100rpm

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掘削性能評価の様子

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ビット荷重の推移

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100 120

ビット荷重

[kN]

掘削長 [m]

耐摩耗性

重視型

耐衝撃性

重視型

開発品

【結果】1)掘削長の増大に伴っ

て一定の掘削速度（7cm/min）を保つために必要なビット荷重は増加。

2)開発品を装着したコアビットが他のコアビットよりも低い。（低いビット荷重で一定の掘削速度を維持できた）

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ビットトルクの推移

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 20 40 60 80 100 120

ビットトルク[kN·m

]

掘削長 [m]

耐摩耗性

重視型 耐衝撃性

重視型

開発品

【結果】1)ビットトルクは耐摩

耗性重視型が最も大きく、開発品と耐衝撃性重視型に大差はない

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開発試作品の刃先状態

(a)

(b)

(a)

(b)

【結果】・開発試作品の刃先

状態は、市販品(耐摩耗性重視型)と同程度。

・(a)では、ダイヤモンド層にチッピングが見られ、また肉眼で確認できる程度のクラックが発生

・(b)では、PDCカッターに生じた摩耗面が超硬合金層にまで及んでいることを確認

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報告内容

開発体制、実施内容

PDCカッターの開発

室内掘削性能評価（コアビット）

岩石切削特性評価（PDCカッター）

PDCビットの開発

まとめと今後の予定

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切削特性評価

カッターの進む方向

カッターの受ける抵抗（切削抵抗）

切削抵抗の鉛直成分（背分力）

切削抵抗の水平成分（主分力）

レーキ角

最適な（切削抵抗が最小となる）レーキ角を検討

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切削特性評価結果

来待砂岩（一軸圧縮強度約 54 MPa）

千草安山岩（一軸圧縮強度約 185 MPa）

【結果】・岩石の種類によって異なる切削特性・岩種に応じたPDCカッターやPDCビットの開発のためには、より幅広い範囲のレーキ角での切削特性の取得が必要。

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報告内容

開発体制、実施内容

PDCカッターの開発

室内掘削性能評価（コアビット）

岩石切削特性評価（PDCカッター）

PDCビットの開発

まとめと今後の予定

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カッターの配置検討①

PDCカッターの周回軌跡を考慮したカッター配置の割り出し

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カッターの配置検討②

PDCカッターへの負荷を均一化するための構造解析

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掘削流体の流れの把握

3D 孔壁モデル流入面

流出面

流体解析結果の一例

回転数600rpm送水量1,200L/min

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PDCビット用モールド

PDCビット用のモールド試作品

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PDCビットの試作

試作したPDCビット（6-1/4inch）の外観

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報告内容

開発体制、実施内容

PDCカッターの開発

室内掘削性能評価（コアビット）

岩石切削特性評価（PDCカッター）

PDCビットの開発

まとめと今後の予定

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まとめ開発したPDCカッターの掘削性能評価試験の結果、市販品と比較して、掘削長の増加に伴ってチッピングや摩耗が進展しながらもビット荷重の増加は少なく、ビットトルクは同程度以下。

PDCカッターの配置解析や掘削流体の可視化とともに、性能向上のため必要となる高精度なモールド製作手法を確立。その結果として6-1/4”PDCビットを開発、現時点で良好な掘削性能を確認。

今後の課題摩耗状況等の分析による改良点の抽出や改良方法の検討PDCカッターの岩石切削抵抗データ等の蓄積によるレーキ角の最適化などの基礎データの蓄積、フィードバック

これら成果を踏まえ8-1/2”PDCビットを開発、これらPDCビットを用いた地熱井掘削現場での実証試験に向けた検討