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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
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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 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。
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地熱貯留層掘削技術 目標－地熱用PDCビットの開発
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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
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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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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
＊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
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）
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
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
ダイヤモンドの焼結①
お 0 5 10 15 20 25 30 35 0 1000 2000 3000 4000diamond
Temperature (℃)
Pressure (
GPa)
graphite
4 5 6 7 1200 1600 2000Co-C eutectic line
焼結領域
Temperature (℃)
Pressur
e (
GPa)
graphite diamondPDC ： ダイヤモンドとCoの焼結体
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
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. NaCl
5. 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
PDCカッターの作製
組み込み
原料粉
超硬合金基体
超硬合金台金 ダイヤモンド粉末超高圧焼結
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
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
開発品
耐衝撃性重視型(市販)
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
コアビット
（Φ66mm×44.8mm）
PDC
カッター
室内掘削性能評価装置
計測・制御室
