JP3548965B2 - 低温の炭化水素を貯蔵するための地下の空洞を機能させる方法及び低温炭化水素貯蔵設備 - Google Patents

Description

本発明は、低温（０℃よりかなり低い）の液状に維持される炭化水素を貯蔵するための地下の空洞を機能させる方法に係る。
本発明は、特に、大気圧下、温度−162℃の液化天然ガス（LNG）を貯蔵するために適用される。しかしながら、本発明の方法では、非常に低い温度の液化された他の各種炭化水素（たとえばエチレン）を貯蔵することもできる。
いわゆる貯蔵の「低温」技術は、大気圧の物質の供給を可能にしている。このような状況下では、その温度は常圧においてガス／液平衡温度（LNGについては−162℃）である。貯蔵設備は、ガスを抽出し、これを凝縮させ、液状で再注入することによって一定温度に維持される。
低温の液化ガスを貯蔵することに関しては、既に各種の方法が提案されている。利用される空洞は良好な耐漏出性を提供する粘土質の土層に形成されるが、最もよく知られた方法では、使用される空洞は水飽和性岩盤内に掘られる。たとえば、プロパン（常圧において中程度に低い温度で液化される）の場合、貯蔵用の空洞は特殊な前処理を必要としない。空洞の内壁は水飽和性岩盤で構成される。低温（０℃よりもかなり低い）の液化ガスが注入されると空洞の内壁が凍結し、これにより、氷の耐漏出性バリヤーが形成される。他の方法では、内壁を凍結させるため、初めに空洞に窒素が注入される。ついで、既に耐漏出性となった空洞にプロパンが注入される。その液化温度が中程度に低いため、空洞の内壁は貯蔵用空洞の耐漏出性を損なわない程度の小さい応力を受ける。この応力は非常に小さく、岩盤内に亀裂を生じさせない。
常圧においてさらに低い液化温度を有する炭化水素（たとえば、LNG又はエチレン）を貯蔵する場合、炭化水素を凍結した水を含む岩盤と接触したままにしておくことはできない。この場合、岩盤にかかる応力はかなり大きく、空洞が掘られる以前に岩盤内に既に存在していた亀裂を拡大させるか、又は貯蔵設備が稼働される際、又はその後の稼働の間に新たな亀裂を形成させる。いずれにしても、このような亀裂は、水の流入（特に、温度低下の開始までに現れない場合には停止させることが困難である）を生ずるか、又は表面へ向かうガスの漏れ（一般に、設備が冷却され始めるまで又は稼働されるまでは検知されない）を生ずる。
圧力を増大させることによって可能となる貯蔵温度の増大は、プロパンの貯蔵について存在するものと類似の貯蔵条件に戻る効果を有する。しかしながら、稼働に伴う実際的な理由のため、このようなオプションは利用されない。
岩盤の亀裂に伴う問題を解消するため、岩盤に固着された耐漏出性のインナーライニングを空洞に設けることが既に知られている。
この場合、空洞の周囲の地下水面（water table）の存在を考慮する必要がある。所望の貯蔵深さ（50〜100m）においてこのような水が見出される可能性は高い。実際のところ、このような水は凍結すると第２の耐漏出性バリヤーを構成するため、当該水の利点を利用すべきである。
このようにしてライニングされた空洞を機能させる場合、氷をインナーライニングと直接接触する形で形成させることは有害である。一般に、ライニングはボルトによって岩盤に固着されるが、氷のポケットの形成によって生ずる圧力はボルトの抜けを生じ、ライニングを変形させる。加えて、非常に低い温度の炭化水素を注入する以前の初期段階では、未だ凍結されていない地下水面の水によってかかる圧力もライニングにとっては有害である。この理由により、インナーライニングと氷バリヤーとの間に不飽和領域を保持することが必要である。
英国特許公開第2,215,023号は、主として空洞の内側に形成された不透過層で構成されるインナーライニング及び岩盤と接触する透過性コンクリート層を包含する貯蔵用くぼみによる解決を提案している。多孔性コンクリートの層はくぼみの周囲全体に設置された配管ネットワークを包含する。この配管ネットワークに地下水の圧力よりも高い圧力で空気を注入することにより、地下水は岩盤内に既に存在している亀裂内に透過する空気によって押し戻される。このようにして、くぼみの周囲に地下水を含まない領域が確立される。ついで、炭化水素がくぼみ内に入れられる。一定時間後、低温での貯蔵による氷結のため水−空気平衡領域に達する。その結果、インナーライニングから距離を置いて氷バリヤーが形成される。この英国特許では、地下水の圧力を低減させるため、くぼみの下に排水トンネルを掘っている。このような空気注入ネットワークを含むくぼみを配置することはかなり煩雑であり、形成するためのコストが相当高いことは疑いがない。
本発明の目的は、非常に低い温度の炭化水素を貯蔵するための空洞を簡単かつ比較的安価に機能させる方法を提供することにある。
さらに、本発明は、非常に低い温度の炭化水素を受容できる貯蔵設備、すなわち炭化水素の注入に伴う応力に耐えうる設備にも係る。
このため、本発明は、地下の貯蔵用空洞（該空洞は非常に低い温度で液状に維持される炭化水素を受容するよう設計されたものであり、地下水面内に形成され、耐漏出性のインナーライニングを包含する）を機能させる方法を提供するものであり、該方法は、初めに、空洞が炭化水素を収容していない間に、地下水面が空洞よりも下に低下するまで周囲の岩盤内に含まれる水を排出する工程；水の排出を続けながら空洞に低温の液体炭化水素を注入し、これにより空洞を包囲する排水された岩盤の温度を水を凍結させるに充分な低い温度とする工程；及び排水を停止して、氷のバリヤーによって限定される実質的に水を含有しない周辺領域を空洞の周囲に形成させる工程を包含する。
排水工程は、しみ込み及び過剰な圧力の影響が消失するため、部位をくり抜きながら行うことも有利である。同様に、インナーライニングを設置する間は水は無用である。排水システムは空洞を機能させるために用意されるものであるため、空洞が形成されている間の操作条件を容易なものとするために予め使用することは好適である。英国特許公開第2,215,023号で提案されたくぼみとは異なり、実質的に水を含有しない領域の形成は、空洞のインナーライニングの構造とは無関係である。従って、非常に低い温度の炭化水素についての使用のために設計された各種の空洞に関して本発明の方法を使用することが可能である。
１具体例では、排水操作は、空洞の近くに掘られた排水井戸から地下水をポンプで排出することによるものである。
排水操作の目的は、地下水面を空洞のレベルよりも下に移動させることにあり、地下水面が空洞に及ぼす圧力を低減させるだけではないことが認められなければならない。さらに、排水井戸を掘る技術は、空洞から下方に走る排水用トンネルを形成するために要求される技術よりもかなり安価である。
好適には、排水を停止させる工程は、徐々に排水を低減させることによって地下水面を元に戻す操作を包含する。
このように、排水は突然ではなく、徐々に停止され、これにより、空洞の周囲における水の戻りを適切に制御することが可能になる。このようにして、井戸の底に配置したポンプ又は地上から注入される空気の流量を制御することによって排水が制御される。
他の技術では、排水を停止する工程は、排水井戸を凍結させる操作を包含する。
本発明の方法は、炭化水素を−50℃よりも低い、好ましくは−100℃よりも低い温度で空洞内に貯蔵する場合に特に適している。
より高い温度で液化される炭化水素については、通常、岩盤の亀裂の問題は生じない。
本発明は、非常に低い温度で液状に維持される炭化水素を受容するように設計され、地下水面内に位置すると共に耐漏出性インナーライニングを含む空洞を包含してなる地下貯蔵設備において、前記インナーライニングが、岩盤に固定され、かつ相対的に個々にシフトできる独立したブーソアスラブでなる少なくとも１つの単一耐荷重構造体及び変形可能な耐漏出性膜（前記構造体によって支持され、かつ地下水面が元に戻された後であっても、非常に低い温度の炭化水素を注入することによって生ずる応力及び変形にライニングが適応できるように空洞の内側を限定する）を包含するものであることを特徴とする地下貯蔵設備を提供するものである。
耐漏出性膜は熱的応力及び機械的応力の両方を受ける。これは、大きな熱応力を生じ、岩盤のブロックのシフトを生じさせる温度変化によるものである。ブーソアスラブは、岩盤の１ブロックのシフトによって個々に応力を受けることができ、ライニングの耐漏出性を損なうことなく膜を局部的に変形させる。
好適には、地下水面を空洞の下まで低下させるため、空洞よりも深い位置まで伸びる排水井戸が空洞に近接して設けられる。
地下水面を低下させることにより、空洞の周囲に実質的に水を含有しない領域を形成できる。かかる井戸は空洞の稼働の初期段階の間にのみ使用される。水を含有しない領域が、非常に低い温度の炭化水素の存在によって生じた氷前線によって安定化されると、井戸は放棄又は破壊される。空洞に近接して縦方向に掘られた井戸は、空洞の極近くでの氷のポケットの形成を防止するための手段を構成するが、該手段は最も多くの技術的及び経済的利点を提供する。
本発明の特徴によれば、ブーソアスラブはエッジ−エッジで並置され、これにより規則正しい列を限定し、耐漏出性膜は直交するウエーブのネットワーク（ウエーブの少なくともいくつかはブーソアスラブの縁と整列する）を包含する。
直交するウエーブは膜に交差した折り曲げ部を有するワッフル様外観を与える。これらの折り曲げ部は変形に対する特別に許された配置を構成するものであり（これにより、膜が変形に耐えられる）、これがウエーブをブーソアスラブ間の境界と一列に整列させることが必須である理由である。１つのブーソアスラブがシフトする際、膜にかかる応力は該スラブを包囲するウエーブによって直接吸収される。この特徴はライニングの変形能力をさらに改善することを可能にする。
他の特徴によれば、ライニングは、さらに、膜と耐荷重構造体との間に、ブーソアスラブの列と重ね合せて一致する列を限定する並置された絶縁パネルでなる層を包含する。
絶縁パネルは、空洞と周囲の土地との間だけでなく、空洞とブーソアスラブとの間でも熱絶縁を提供する。このように、変形可能な特性は、ブーソアスラブ及び絶縁パネルの列の重ね合せによって確立される。このように、各絶縁パネルは１つのブーソアスラブとのみ提携する。ブーソアスラブ及び絶縁パネルの縁は膜のウエーブのいくつかと連続的に整列する。
本発明の１具体例を示す添付図面を参照して、本発明を以下に詳述するが、本発明はこれに限定されない。
図面において、図１は本発明の方法を適用することによって調製される貯蔵用空洞の断面図であり；図２は図１の空洞を覆うインナーライニングの構造の詳細を拡大して示す図であり；図３は本発明のライニングの断面図であって、ブーソアスラブがどのように配置されるかを示す図であり；図４は１つのブーソアスラブの正面図であり；図５はブーソアスラブが空洞の内壁上にどのように配置されるかを示す図であり；図６は本発明のライニングの断面図であり；図７は図６のライニングの詳細を示す拡大図であり；図８は本発明のワッフル形の耐漏出性膜で被覆されたブーソアスラブを示す正面図であり；図９は図８の線Ｂ−Ｂ断面図であり；図10は図８の線Ａ−Ａ断面図であり；図11は図１に示すものと同一の空洞について該方法を実行する際の各種の工程を示すための理論ダイアグラムである。
既に述べたように、本発明の方法は特にLNGに適切であるが、大気圧下で非常に低い液化温度を有する他の種類の炭化水素も除外されない。以下の記載ではLNG（最も好適であるため）を参照する。
地下水面を含む地下岩盤に、図１に示す空洞１を形成する。そのヴォールト11は約50mの深さにある。この空洞は井戸12を介して地上と連通している。空洞１は井戸12との接合部で岩盤に固定されたプラグ13によってふさがれている。プラグ13は、該プラグを通っての貯蔵を容易に行うために必要な一連の管を有している。
空洞１の内壁は耐漏出性及び絶縁性のライニング２で被覆されている。ライニング２はプラグ13までの空洞の全域を覆う。ライニングの構造を図２〜10において詳細に示す。
図２はライニング２の断面図であり、図１においてマークしているアウトラインに相当する。図２において、露出した岩盤６を平滑な表面を有するものとして図示している。実際には、掘られたままの岩盤は図３に示すように不規則である。初めに、予め形成したブーソアスラブ22をタイ３によって岩盤に固着させる。
これらスラブは機械的には相互に独立しており、ブーソアスラブによって構成される構造体に応力を及ぼすことなく、岩盤が自由に動くことを許容する。この構造体は、他のライニング部材が固定される単一耐荷重構造体である。ブーソアスラブのために使用されるコンクリートは好ましくは鉄棒によって補強される。図３において、ブーソアスラブ22が岩盤６に対して直接には当接されないことが理解される。岩盤が非常に粗い場合には、ブーソアスラブを設置する工程で、図２及び３に示すように、低密度コンクリートフォーム21を注入する。しかしながら、岩盤における局部的なきずが約20cmを越えない場合には、ブーソアスラブ22と岩盤６との間の空間を空のまま放置する。ブーソアスラブは厚さ約30cmであり、３つのタイによってその位置に保持される。一方、岩盤が非常に粗い場合には、ブーソアスラブは厚さ約15cmであって、２つのタイのみで保持される。コンクリートフォーム21は、貯蔵された液体によってかかる圧力を岩盤に伝達するように作用する。ブーソアスラブ22によって形成される耐荷重構造体は、近接するブーソアスラブ間に配置したガスケット220によって耐漏出性である。各ブーソアスラブの周辺は段々になっている。図４を参照すると、各ブーソアスラブは、互いに重なり合い、しかもブーソアスラブの周辺で段が形成されるように相対的に斜め方向にずれている同一サイズの２つのコンクリート板で構成されるような外観を有する一片のコンクリートでなることが理解される。図４のブーソアスラブは、２つのタイ３のみを有しているので、粗い岩盤に固定されるものである。図３において見られるように、段の中央部にはガスケット220（その形状は近接するブーソアスラブの段を補足するものである）が位置する。ブーソアスラブのこの配置のため、スラブはガスケット220の弾性の利点を利用して相互に独立して動くことができる。たとえば、ブーソアスラブは幅約1m、長さ約2mである。ブーソアスラブは、図５に示すように、好ましくは規則正しい列として配置される。これにより、各ブーソアスラブ22は、他の４つのブーソアスラブのみと係合するため、より自由に動くことが可能になる。
ついで、ブーソアスラブ22の内側表面を、２成分系エポキシ樹脂でなり、水分が岩盤壁から「次に続く層」23に移動することを防止するための耐蒸気層221で被覆する。この種の蒸気保護は開放空気タンクについて使用されるものと同様である。しかしながら、ブーソアスラブが使用される場合には、好ましくはスラブが設置される前に施される。
「次に続く層」を構成する絶縁パネルを設置するため、ピン又は「スピット（spits）」もブーソアスラブ22に施される。
絶縁パネル23の構造体は、PVCの堅固なセルラー物質（その２つの面に合板が積層されている）で構成される。絶縁体の厚さは約30cmである。本発明の有利な特徴によれば、絶縁パネル23の寸法はブーソアスラブ22の寸法と同一であり、さらに、絶縁パネルは、図６及び７で示すように、各ブーソアスラブ22が１つの単一絶縁パネル23と対応して互いに正確に重なり合うように配置される。これにより、ただ１つの絶縁パネルを動かせばよいため、ブーソアスラブをシフトすることはより簡単になる。パネルは、その内側表面上に被覆されたしっくいにより、スラブ22のコンクリートに付着される。配置及び圧力の維持はスラブ22上に設置されたピンによって達成される。最後に、熱的連続性を達成するため、ガラスウールを近接するパネル23の間の空間に入れる。絶縁層23の使用は常に必要というわけではない。多くの場合、ライニングは絶縁パネル23を設置しなくともその機能を達成できる。
ステンレス鋼製の金属片（「ペグ」と称する）が絶縁パネルの頂部合板に挿入され、空洞の内側表面を構成する変形可能な耐漏出性膜24のためのアンカーポイントとして機能する。この膜24は厚さ約1.2mmのステンレス鋼製であり、エンボスされたワッフル様外観を有し、このような膜は本来貯蔵設備及びLNGタンカーでの使用のために開発されたものである。このような膜の１つは仏国特許公開第1,459,749号に開示されている。この膜は、高度の変形可能性を付与する十字形で交差するウエーブのシステムを有する。この変形可能性のため、−162℃のLNGによって生ずる熱収縮を緩和し（この間、低レベルの応力を受ける）、このケースでは、その耐漏出性を失うことなく、岩盤の位置的変形を緩和することを可能にするためにも使用される。
インナーライニング２全体について高度の変形可能性を得るため、ブーソアスラブ22と絶縁パネル23との間の接合部は、図９及び10（ライニング２の縦断面である）に示すように、耐漏出性膜24のウエーブ240と一致する。膜24上のウエーブのネットワークは、図８に示すように、ブーソアスラブ当たり複数個のウエーブを有していてもよい。ブーソアスラブ22及び／又は絶縁パネル23（使用する場合）がその縁を巡るウエーブを有していることが必須の特徴である。これらのウエーブは、膜24が特に変形を緩和できるような配置にある。従って、ブーソアスラブ22と絶縁パネル23との間の接合部が膜24のウエーブの少なくともいくつかと一致することが非常に重要である。
組立時、膜24は約3m×1mのエンボスシート形であり、つづいて溶接され、列の各網目の中心においてペグに溶接されることによってパネル23に取付けられる。
ブーソアスラブ22も、露出した岩盤のような粗い支持体上に設置されるため、膜のための支持構造体として機能する。キャストコンクリート層の代わりにブーソアスラブ構造体を使用することにより、膜24及び絶縁パネル23（使用する場合）を介して、−162℃のLNGによって熱収縮による応力を緩和することが可能になる。
「フローティング」支持構造体と組合せて変形可能な耐え漏出性膜を使用することは、耐漏出性であり、それにもかかわらず変形可能であり、LNGの注入によって生ずる温度変化による岩盤のシフトに適合できるインナーライニングを形成することを可能にする。
次に、本発明による空洞を機能させる方法を、上述の空洞について述べる。本発明の方法を使用することにより、上述のもの以外の構造の空洞についても対応できるが、上述の空洞が該方法に最も適合する。図11を参照すると、空洞１に近接して（好ましくは空洞から２〜20mの距離）に排水井戸４を掘る。井戸４は空洞の底よりも深い。各井戸は、「エアーリフト」操作を行うためにダウンホールポンプ又は地上のコンプレッサーと接続されたダクトを具備する。本発明によれば、第１の工程は、地下水面が空洞の底よりも下に下がるまで地下水面から水を排出することである。初めは水によって包囲されていた空洞１も、実質的に水を含まない地下岩盤内に見られるようになる。実際には、いくらかの水が岩盤内に常に残る（毛管現象によって保持される）。意図する目的は、空洞を包囲する土地から完全に水を除去することではなく、過剰に多くの氷が凍結すること（岩盤内で亀裂を生じさせる）を防止するように充分な量の水を排出することである。この地下水面を下方に移動させる工程は、空洞を形成する間でも実施される。この場合、空洞の壁上にインナーライニング２を設置することが容易になる。
排水工程は、地下水面５を空洞１より下の一定レベルに維持するため、続けられなければならない。第２工程は、ポンプを稼働しながら、温度−162℃、大気圧でLNGを空洞１に注入することである。ライニング２の熱的絶縁層23にもかかわらず、空洞を包囲する土地は、岩盤内に残る水を凍結させるに充分なほど低い温度となる。このようにして、実質的に水を含まない凍結領域が空洞の周囲に形成される。この段階で凍結される水の量は少なく、岩盤に亀裂を生じさせて空洞のライニング２に対して有害なものとなるほど十分なものではない。たとえば、上述の水を含まない凍結領域は、LNGが空洞１内に数カ月間存在した後、厚さ約2mである。凍結領域の周囲の排水された岩盤内には液状の少量の水が残っている。
凍結領域が充分な厚さ（約2m）で形成されたところで排水を停止する。充分な厚さとは、第１に空洞に向かって移動する水が凍結すること、第２に水の厚いリングが外部からの水圧を吸収できることを確保するために必要な厚さである。排水を徐々に低減することによって、地下水面が空洞の周囲まで上昇してくる過程を制御できる。排水が完全に停止すると、空洞１の周囲に氷の前線で限定される水を含有しない領域が残る。この氷の前線を越えると、地下水面５は液状である。
他の技術（好適さは多少劣るが）は、排水井戸４を凍結させることである。LNGによって生じた凍結領域が排水井戸４を凍結させるまで地下水面５をポンプ送給する。この解決法は、井戸４が凍結した後、水の上昇を制御することが妨げられるとの欠点がある。空洞が稼働状態にあり、LNGを収容している限り、水を含まない領域は確実に残っている。
当然ながら、上述の説明は１例として述べたものであり、本発明の方法を、非常に低い温度の炭化水素を保持するための各種の空洞に適用することも可能である。

Claims (9)

1. 地下貯蔵用空洞（１）を包含し、該空洞が０℃以下の非常に低い温度で液状に維持される炭化水素を収容するためのものであって、地下水面（５）内に形成され、耐漏出性インナーライニング（２）を包含するものである地下の貯蔵用設備を機能させる方法において、前記空洞（１）が炭化水素を収容しない間に、地下水面（５）が空洞（１）の下に下がるまで周囲の岩盤内に含有される水を排出する工程と；水の排出を続けながら、低温の液体炭化水素を空洞（１）に注入して、空洞（１）を包囲する排出された岩盤を水が凍結するに充分に低い温度とする工程と；排水を停止して、空洞（１）の周りに氷のバリヤーによって限定される実質的に水を含まない周辺領域を形成させる工程とを包含することを特徴とする、地下貯蔵設備を機能させる方法。
2. 請求項１記載の方法において、排水操作が、前記空洞（１）に近接して形成され、空洞よりも深い位置まで伸びる排水井戸（４）から地下水をポンプ送給する操作を包含するものである、地下の貯蔵設備を機能させる方法。
3. 請求項１又は２記載の方法において、排水を停止させる工程が、排水を徐々に低減することによって地下水面（５）を上昇させる操作を包含するものである、地下の貯蔵設備を機能させる方法。
4. 請求項１又は２記載の方法において、排水を停止させる工程が、排水井戸（４）を凍結させる操作を包含するものである、地下の貯蔵設備を機能させる方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の方法において、炭化水素を−50℃より低い温度で空洞（１）内に貯蔵する、地下の貯蔵設備を機能させる方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の方法によって稼働される地下貯蔵設備において、耐漏出性インナーライニング（２）が、岩盤に固着されかつ相対的に個々にシフトできる独立したブーソアスラブ（22）でなる少なくとも１つの単一耐荷重構造体、及び該構造体によって支持されかつ地下水面が元に戻った後でもライニング（２）が非常に低い温度の炭化水素を注入することによって生ずる応力及び変形を緩和するように前記空洞（１）の内側を限定する変形可能な耐漏出性膜（24）を包含するものであることを特徴とする、地下貯蔵設備。
7. 請求項６記載のものにおいて、地下水面を前記空洞の下に下げるために、空洞に近接して、空洞よりも深い位置まで伸びる排水井戸（４）が設けられている、地下貯蔵設備。
8. 請求項６又は７記載のものにおいて、前記ブーソアスラブ（22）がエッジ−エッジで並置されており、これにより規則正しい列を限定し、前記耐漏出性膜（24）が直交するウエーブのネットワークを包含し、該ウエーブの少なくともいくつかは前記ブーソアスラブの縁と整列している、地下貯蔵設備。
9. 請求項６〜８のいずれか１項記載のものにおいて、ライニングが、さらに、膜（24）と耐荷重構造体との間に、ブーソアスラブの列と重ね合せて一致する列を限定する並置された絶縁パネルでなる層を包含する、地下貯蔵設備。

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