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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

＊

2017.6.8

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報告内容

・ 開発体制、実施内容

・ PDCビットの開発

（PDCカッター、ビット、特性評価）

・ 現場実証試験

・ 性能改良検討、評価

・ 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

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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）

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平成28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ビットの開発と 現場実証試験

【平成28年度】 ・PDCカッターの開発 ・PDCビットの開発 ・開発カッター、ビットの室内掘削性能評価 ・現場実証試験

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報告内容

・ 開発体制、実施内容

・ PDCビットの開発

（PDCカッター、ビット、特性評価）

・ 現場実証試験

・ 性能改良検討、評価

・ まとめと今後の予定

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ダイヤモンドの焼結

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

ssu

re (

GP

a)

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

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PDCカッターの作製

組み込み

ダイヤモンド原料粉

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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開発したPDCカッター

20 μm 20 μm

黒色：ダイヤモンド 白色：Co

開発カッターＡ 開発カッターＢ

ダイヤモンド焼結体部の組織

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PDCカッターの耐摩耗性

切り込み

ｘ

送り

被削材

工具

摩耗幅

PDCカッターの耐摩耗性評価

良好

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PDCカッターの耐衝撃性

錘

落下 高さ（h）

質量（m）

PDCカッターの耐衝撃性評価

良好

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PDCビットの開発

開発カッターを用いた

8-1/2”PDCビットを開発

カッター反力分布

流体解析

開発ビット8H-1

開発ビット8H-2

１ブレードにカッターを

２列に配置

PDCカッター背後に

アレスターを配置

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開発PDCビットの概要

名称 ビット8H-1 ビット8H-2

ブレード数 8 8

IADCコード M433 M433

PDC カッター

サイズ φ13.44 mm φ13.44 mm

セカンダリーの有無

有 無

フェイス 60 50

ゲージ 14 8

合計 74 58

チャンファ 有 有

アレスター 無 有

ノズル 数-サイズ 4-ノズル本体径25.2 mm

6-ノズル本体径20.4 mm WH2-φ10 mm

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開発PDCビットの外観

開発ビット8H-1 開発ビット8H-2

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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

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開発PDCビットの室内評価

PDCビットの室内評価

8H-1

8H-2

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報告内容

・ 開発体制、実施内容

・ PDCビットの開発

（PDCカッター、ビット、特性評価）

・ 現場実証試験

・ 性能改良検討、評価

・ まとめと今後の予定

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現場実証試験（磐梯地域）

【試験期間】 平成28年12月3日～12月9日

【試験場所】 福島県那麻郡猪苗代町

【対象坑井】 構造試錐井「磐梯BD-1号井」 8-1/2"区間（1,630～1,917m） 沿角掘削（TDS+DHM掘り）

岩石：一軸圧縮強度約120 MPa

地層：石英閃緑岩・デイサイトおよび

安山岩礫を含む凝灰岩（溶結凝灰岩）

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現場実証試験の結果

ビット荷重（WOB）、掘進速度（ROP）推移

8H-1 8H-2

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PDCビットの掘削状況 ビット名称 8H-1 8H-2

深度 1630-1753 m 1756-1917 m

実掘進長 123 m 161 m

実掘進時間 約 43 hr 約 31 hr

平均ROP 3 m/hr程度 5 m/hr程度

使用後のカッターの状況

脱落 無し 無し

チッピング 無し 無し

摩耗状況とIADC摩耗評価（8段階評価）

WT（Worn Teeth/Cutters） 内側 2，外側 2

WT（Worn Teeth/Cutters） 内側 3，外側 3

ゲージロス 1/32 in.以下 1/32 in.以下

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PDCビットの摩耗状況

開発ビット8H-1 開発ビット8H-2

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報告内容

・ 開発体制、実施内容

・ PDCビットの開発

（PDCカッター、ビット、特性評価）

・ 現場実証試験

・ 性能改良検討、評価

・ まとめと今後の予定

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耐摩耗性型PDCカッター

20 μm

開発カッターＣ

PDCカッターの組織と耐摩耗性評価

良好

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室内試験用コアビット

PDC カッター

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室内試験評価

2.37 mm

2.43 mm

3.76 mm

4.40 mm

5.86 mm

4.26 mm

5.18 mm

2.84 mm

平均摩耗量 3.89 mm

稲田花崗岩

ROP 7cm/min一定

掘削長160m到達

開発カッターＣの室内試験結果

開発カッターＣ

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報告内容

・ 開発体制、実施内容

・ PDCビットの開発

（PDCカッター、ビット、特性評価）

・ 現場実証試験

・ 性能改良検討、評価

・ まとめと今後の予定

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まとめ

・耐摩耗性、耐衝撃性の観点からPCDカッターを開発。 ・開発PDCカッターを用い、構造解析、流体解析による 検証等を進めた、２種類の8-1/2”PDCビットを開発。 ・開発PDCビットの現場実証試験を実施し、各種掘削 データを取得。 ビット8H-1：掘進長123m、実掘削時間43hr ビット8H-2：掘進長161m、実掘削時間31hr ・現場実証試験を受けた改良PDCカッターを開発。 室内試験の結果、平均摩耗量4mm以下を達成。

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今後の予定

室内試験、地熱井での現場実証試験などの各種評価を実施し、その結果をPDCカッター、ビット開発にフィードバックすることで、地熱井でも使用可能なPDCビットを開発

項目 平成27年度 平成28年度 平成29年度

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

PDCビットの試作

PDCカッター評価用コアビット製作

PDCノンコアビットの製作・評価

PDCノンコアビットの製作・評価

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