ドリラーズ vs. グラナイト: ハードロックはエッジを失いつつある

ユタ州の FORGE 試験場では、他の人が 50 年間挑戦して失敗したこと、つまり熱い岩石に水を注入し、商用発電機に電力を供給するのに十分な蒸気を生成することを達成しようと井戸を掘削しています。

難しい理由はたくさんありますが、特に、圧入井から生産井に流れる水の温度を加熱する、ゆっくりとした動きで大量の水の洪水を作り出すために破砕を使用する方法を見つけることです。

発電所ごとに複数の坑井ペアが必要になる可能性が高いため、掘削を高速化する方法を見つけることも別の問題であり、現場では400°Fを超える温度で1マイルの花崗岩を掘削する必要があります。

「このアプローチには何百もの坑井が必要です。非在来型坑井と同様に、課題はコストです」と、テキサス A&M 大学工学実践教授のフレッド・デュプリースト氏は、最近開催された SPE/IADC 国際掘削会議で論文を発表しながら述べました。 SPE 208798)。

頁岩との比較は適切である。なぜなら、彼は硬岩の掘削を加速するために、非在来型掘削を加速するハードウェアと方法の使い方を掘削業者に教えるためにユタ州フォージに連れてこられたからである。

硬い岩石をゆっくりと掘削するとコストがかかるため、プラズマエネルギーを使って硬い岩石を破壊するなどの未来的なアイデアが生まれました。この技術はスタートアップ企業 GA Drilling の基礎となっており、同社は最近 Nabors によって買収され、ハードロックセクション向けにこの技術を商業化したいと考えている。

デュプリースト氏とこのプロジェクトのパートナーであるテキサス A&M 工学実践准教授のサム・ノイナールト氏が直面した課題は、利用可能な技術を使用すればより高速な掘削方法が可能であることを実証することでした。

地熱エネルギーの将来は、地熱発電を米国の電力供給量の 1% 未満に制限している地下の障壁を克服する、米国エネルギー省 (DOE) から資金提供されているユタ FORGE のような取り組みにかかっています。

利用可能なリソースによって成長は制限されています。地熱暖房、水、そして過熱蒸気を生成する井戸の掘削を可能にする自然の導電性断層を組み合わせた場所は、米国にも世界にもほとんどありません。

一方で、熱くて乾燥した岩を見つけるのは難しくありません。高温の地層に水を注入し、十分な超熱水を生成する収益性の高いシステムを構築できれば、都市部の大きな電力市場の近くに地熱発電所を設置できる可能性があります。

テキサス州の A&M 教授は、圧入井 1 つと、破砕の影響と将来の水の流れを観察する 2 つの垂直井戸の掘削に必要な時間を短縮する方法を掘削業者に教えるために雇われました (図 1)。

デュプリスト氏は、シェールで速いと考えられている速度はハードロックで可能な速度よりもはるかに速いことを認め、それを「5,000フィートのキッチンカウンター」と表現した。しかし、「訓練率を制約する問題の種類とそれに対処する方法は変わらない」とも付け加えた。

彼らは、PDC ビット（掘削中に回転する固体上の多結晶ダイヤモンドのコンパクトなカッター）の使用など、シェール掘削業者向けのいくつかの明白な変更を組み合わせて、掘削業者に「物理ベースのリミッター再設計」ワークフローを教えることでプロセスの管理方法を変更しました。。

物理学とは理論の理解を指します。理想的な世界では、ビット (WOB) の重量を増やすと、穴あけが速くなります。地中の現実には、掘削作業者が掘削効率の尺度である機械比エネルギー (MSE) を使用して認識できる限界があるということです。 MSE データの傾向は、掘削の高速化を妨げる障壁の背後にある問題を診断する上で重要な役割を果たします。

リミッターの再設計は、パフォーマンスの限界または機能不全の原因を診断し、それらを防ぐ方法を見つけるために使用されるプロセスです。ソリューションを実現するには、多くの場合、エンジニア、サプライヤー、または専門家に連絡してアドバイスを求める必要があります。この方法の詳細な説明については、この記事の最後にある「参考資料」を参照してください。

掘削チームは3つの坑井にわたって坑井時間を「半分以上」短縮した。彼らの結果に基づくと、平均 100 フィート/時間の掘削速度が花崗岩の現実的な掘削速度であり、それ以上の掘削速度も可能です。論文の著者らによると、この方法によりビットの寿命を最初の坑井の742フィートの走行から最後の坑井の2,100フィートの走行まで延長することもできたという。

「この井戸は、地熱圏の掘削という点で本当にダムを打破しました。PDC技術がローラーコーン（トリコーンビット）よりも性能を劇的に改善できることが証明されたからです」と、ユタ州FORGEの資源管理技術責任者で化学准教授のジョン・マクレナン氏は述べた。このサイトを運営しているユタ大学の工学部。同氏はさらに、「この功績の多くは、テキサスA&M大学の2人、フレッド・デュプリースト氏とサム・ノイナート氏の功績である」と付け加えた。

テストウェル 1

最初の試験井の浸透率（ROP）が前回の試験井よりもはるかに高かった明白な理由は、彼らが PDC ビットの使用を開始したためです。

掘削作業員は、最も複雑な坑井設計で現場の最も深い坑井を掘削しながら、その短期間の記録を樹立することに成功した。この坑井は、深さ約 6,000 フィートで 65 度の角度で湾曲した偏向坑井であった。

PDC ビットが地熱掘削業者に広く使用されていないという事実は、PDC ビットが石油やガスの掘削とどのように異なるかを示しています。

水平掘削技術はシェール革命中に急速に進歩しましたが、これは生産量の増加を維持するために必要な多くの水平坑井のコストを下げるために掘削速度の高速化に依存していました。

それに比べて、地熱掘削はビジネスの中でも小さなニッチ分野であり、その歩みはゆっくりと進んでいます。より速く掘削することよりも、蒸気を排出しながら安全に掘削するなど、この分野に特有の問題を解決する方法を知ることに重点が置かれていました。

掘削業者たちは利用可能な設備でなんとかやり遂げた。パイロット井（坑井58-32）の掘削には回転テーブル掘削リグが使用されたが、これは今でも地熱開発で一般的に使用されている古い設計であると、地熱資源社の社長兼主任掘削エンジニアのビル・リッカード氏は述べた。ユタ州の FORGE 井戸の掘削を計画および管理します。

DOE の資金提供前に掘削されたパイロット井では、Rickard 氏は技術論文から学んだことに基づいて MSE を適用しようとしました。井戸を掘削している間、データの分析に雇われた大学院生から、「ロータリーチェーンのトルクアイドラーを使用して」MSEの測定値を収集するのは、データが「あちこちに散らばっている」ためイライラすると言われたという。

その時点で、PDC ビットは地熱発電には不適切な選択肢であるように Rickard 氏には思われました。「1980 年に、私は初めて PDC ビットを地熱井に挿入しました。うまく機能しましたが、高価なツールであり、トリコンビットと同じくらい速く掘削できました。」と彼は言いました。

それは外交的な言い方だった。同氏は、ユタ・フォージの最初のテスト井でPDCビットの使用に成功したのは、「ブルプラグのように見えなかった硬い花崗岩の地層で走った初めてのことだった」と語った。つまり、カッターが全部折れたPDCにはならなかったのだ。

デュプリスト氏は、ビットは現在、摩耗しやすい硬い岩に耐えるように作られているが、「特に硬い岩でビットを傷つけないようにする方法も学んだ」と指摘した。テスト中にデュプリーストとノヤエルトから学んだことに基づいて、リッカード氏はクライアントのために管理している他の井戸でも PDC ビットを使用しています。

掘削に関わった全員は、「掘削の物理学」に基づいたワークフローをカバーする、テキサス A&M チームによる 16 時間のトレーニングクラスを受講しました。穴あけ中にこの方法がどのように使用されるかは、一言で要約できます。WOB を最大化して穴あけを高速化することと、MSE データの傾向を使用して問題が発生していることを確認することで作業効率とビットの寿命を最大化することの組み合わせです。

MSE は、岩盤を掘削するために必要な力の表面測定値を掘削業者に提供します。ダウンホールの状態が掘削に影響するため、通常、この力は実験室テストで岩石を破壊するのに必要な力よりも若干高くなります。 MSE がそのレベルを大きく上回った場合、掘削者は機能不全の原因を突き止める必要があります。

ワークフローの重要な部分は、MSE 測定値が機能不全の兆候を示すまで、WOB を 5,000 ポンドずつ追加する定期的なステップテストです。これは非効率な穴あけから始まり、ビットが破壊される点に達する場合があります。

これらの限界が特定されると、掘削チームは MSE やその他のデータを使用して機能不全の原因を診断し、機能不全とその治療法の確立されたリストに基づいてリミッターを除去する方法を探します。

ユタフォージ社の性能を大幅に向上させた変更には、より大きな直径のドリルパイプの使用、ビットメーカーの設計変更の要求、掘削液の水への切り替えなどが含まれます。

トレーニングクラスには掘削マネージャーからリグ担当者まで全員が参加し、掘削チームがマネージャーのサポートを受けながら協力して、通常は古い習慣を打ち破る必要がある方法を適用するよう説得するように設計されました。

掘削を実施および管理している人々にやり方を変えるよう説得する場合、「物理学に基づく」という言葉は非常に重要です。

「私たちは、変化が意味をなさないときには抵抗しますが、変化が必要なときは抵抗しません」とデュプリースト氏は述べ、「彼らはそれぞれの主要なリミッターを身体的に理解していたため、機能不全を自ら診断し、必要な変化を特定した」と付け加えたを実装しました。

フィードバックによると、学生たちは学んだことを評価しているようです。

「フレッドとサムが提供したトレーニングが変化をもたらしたと感じています」とマクレナン氏は語った。学生たちがこの訓練を高く評価していることの一つの兆候は、「次の井戸を掘削するために戻ってきたときに、もう一度受けたいという人がいた」ことだ、と彼は語った。

テストウェル 2

2 番目の坑井は垂直に掘削され、滑走するために減速する必要がなくなり、底孔アセンブリを回転させて操縦する必要がなくなり、性能が向上しました。

穴あけには、NOV による PDC ビットの変更も恩恵を受けました。新しいデザインには、より深く切断するために岩にさらに食い込むように設計された「V 字型」カッターが含まれていました。この積極的な設計により、1 フィートあたりに必要な回転数が減少し、進歩が促進され、ビットの寿命が延長されました。

テストウェル 1 から変わっていない点が 1 つあります。WOB が 35,000 ～ 45,000 ポンドの範囲に制限されていたため、速度向上のために重量を追加した場合の効果を評価することができませんでした。それでも、ボトムでの時間は前の井戸より 3 分の 1 短縮され、最長ビットランは 66% 増加しました。

テストウェル 3

3 番目の坑井も垂直観測井でしたが、今回は、WOB を 50% も押し上げることで掘削をスピードアップできるかどうかを確認したいと考えていました。

回転ドリルストリングが固着や滑りなどの機能障害を起こすことなく、より高い重量で必要なトルクを確実に提供できるようにするために、ドリルストリングの直径を 5.0 インチから 5.5 インチに増加しました。

ステップテストに基づいて、彼らは WOB を NOV によるビットの構造限界である 68,000 ポンドまで押し上げることができると判断しました。

彼らはより速く掘削し、ビットの実行記録を 70% 延長しました。これは、追加された重量が機能不全を引き起こさないのであれば、重量を増やせばビットの摩耗を軽減できるというデュプリースト氏の頻繁に繰り返したメッセージの証拠を提供しました。

しかし、乗組員は途中で別の問題に直面しました。掘削中、MSE の測定値は 85,000 psi まで上昇しました。これは、花崗岩を掘削するのに必要な力の約 2 倍です。

考えられる原因をいくつか検討した結果、掘削泥が問題であることが判明しました。具体的には、坑井の圧力がかかると、泥が細かい粒状の切りくずを圧縮し、あたかも硬い塊であるかのように動作させ、穴を切断して清掃するのに必要なエネルギーの急増を引き起こしました。

硬い塊が形成されるのを防ぐために、彼らは水だけを使った掘削に切り替えた。なぜなら、泥とは異なり、水は切りくずの間を素早く移動し、それらの空間に圧力がかかり、強度がなくなるからである、とデュプリスト氏は語った。

その結果、「100バレルの淡水錠剤がビットを通過すると、ROPは2倍になり、MSEは半分に低下した」と同紙は述べた。

他の地熱井でも検討すべき考え方です。デュプリースト氏は、フォーメーションによってはバックプレッシャーを使ってコントロールを確実にするなどの変更が必要になると述べ、「必要に応じて創意工夫を凝らすには十分な賞金がある」と付け加えた。

最終的に、ドリルの頭脳パワーによる利益は、PDC ビットによって追加されたものと等しくなりました。「最初の坑井に PDC が導入された後でも、チームによる継続的な変更により、底部の掘削時間は再び半分以下に短縮されました」とデュプリースト氏は述べました。

掘削コストに関する報告書の作成に取り組んでいる国立再生可能エネルギー研究所の上級地熱エンジニアであるジョディ・ロビンス氏は、一般的な平均速度が時速 10 フィートである地熱の「前例のない速度」が達成されたという事実に感銘を受けました。井戸から井戸へと「大きなジャンプ」があり、「3番目の井戸までに本当に吹き飛ばされた」とロビンズ氏は語った。

型破りな掘削業者は何千もの坑井から学んできたので、3 つの坑井のテスト後の地熱掘削には改善の余地があると考えるのが自然です。

さらに大きな負荷に耐えられるビットを作成する必要があるため、重量を追加することはオプションではないようです。しかし、そのためにはビット設計者が「他の重要な機能を犠牲にする必要があるかもしれない」とデュプリースト氏は述べた。

他にも検討すべき選択肢があり、それによって硬い岩石の掘削速度が30%向上する可能性があると同氏は述べた。回転が速くなれば、フィートあたりの貫通力が大きくなる可能性がありますが、それにはビットの過熱を防ぐためにより強力なモーターと流体の流れの増加が必要になります。

もう 1 つのパフォーマンス制限要因は、原因が解明され解決できれば、新しいビットで硬い岩石に掘削を開始すると、最初の 100 ～ 200 フィートで ROP が大幅に遅くなるということです。

「最大の成果はおそらく、掘削開始初期にビットが ROP を失っている理由を解明することだ。事実上すべてのビットは時速約 250 フィートで始まり、掘削の最初の 100 ～ 200 フィートでその約半分まで減速する。時速250フィートで1フィート掘削するのであれば、同じ岩石のすべてのフィートを時速250フィートで掘削する必要がある」とデュプリスト氏は語った。

同氏は、「観察された摩耗はほとんど目立たず、ほとんどのドリラーは依然としてビットを『グリーン』と呼ぶだろう」と述べているため、ビットの摩耗がどの程度問題であるかを理解するのは難しい。おそらく非常に少量の摩耗に関連していると考えられますが、その摩耗は非常に大きな機能障害を引き起こしているはずであり、それは私たちが解明する必要がある機能障害です」と彼は言いました。

速いほど良いですが、熱岩圧入プロジェクトの開発を正当化できるほど速いのでしょうか?

答えは、それらは明らかにターゲットに近づいており、この時点でターゲットは移動する可能性があります。

これら 3 つの油井からの驚くべき利益の後、ロビンズ氏は、ベースラインの掘削コスト曲線が「十分に積極的ではない」かどうかを検討し、「ベースラインは現実にできるよりもまだ安い」と結論付けたと述べた。

より高速な掘削にかかる費用は、この方法がほぼ商用化された状態にあるかどうかを評価するために使用されるエネルギー省の地熱発電技術評価モデルに組み込まれる予定です。掘削速度が速ければ大幅な節約になりますが、破砕やケーシングなどの他の完成コストには影響しません。その結果、「時速50フィートを超えると利益が減少する」と彼は言う。

20年以上の石油とガスの掘削と完成の経験を持つロビンス氏は、「石油とガスの側から来た人は、井戸の大きさがどれほど必要か、あるいは大口径のケーシングが必要か理解していない」と述べた。適切な流れを提供します。また、これらのホットウェルでテストしたほぼすべてのパッカーとブリッジプラグが故障しており、解決するには多額の費用がかかる問題となる可能性があります。

発電メガワット当たりに必要な井戸の数は不明です。過去の試験では、各井戸のエネルギー出力（水の量とその熱含有量に基づく）は非常に低かったため、発電所に必要な井戸の数は信じられないほど多くなりました。

ユタ・フォージ社がその油井ペアの効率を示すデータを提供できるようになるには、しばらく時間がかかるだろう。最近圧入井を破砕しており、最近の破砕結果に基づいた計画で、1年以内に生産井の掘削と破砕を行う予定である。

リッカード氏にとって、試験井のおかげで地熱掘削へのアプローチはすでに変わりました。この方法を教え、PDC ビットを使用することで、彼は 1 ウェルあたりの日数を 50 日から 31 日まで短縮しました。この記事の執筆時点では、彼は 25 日で完了する予定の仕事に取り組んでいました。

デュプリーストにとって、テキサス A&M で彼のコースを受講した大勢の学生を含む次世代に自分の研究をどのように伝えるかを考えているため、別の教師を雇うことは成功です。

リカード氏は、これが掘削についての知識を 8 人からなる会社の従業員に伝えるためのツールになることを望んでいます。「私はキャリアを通じてそのようなことをやっていましたが、フレッドほど井戸の数も経歴も豊富ではなかったので、あまり組織化されていませんでした」とリッカード氏は述べ、「ROPが3倍になると、まあ、それについては言うべきことがたくさんあります。」

ユタ州の FORGE サイトでの 3 つの井戸のテストでは、花崗岩を 2 倍の速さで掘削できることが明らかに示されました。テストレポートに含まれるグラフでは、パフォーマンスをより詳細に確認できます。

SPE 208798 地熱操業のための掘削の実践とワークフロー、テキサス A&M 大学の Fred Dupriest と Sam Noynaert 著。

SPE 208777 機械比エネルギー方程式と命名法の標準化 (テキサス A&M の Fred Dupriest による)。 Paul Pastusek、ExxonMobil Upstream Integrated Solutions Co.、 Stephen Lai および Bob Best、Pason Systems 他