Investigation of ground condition charges due to cryogenic conditions in an underground LNG storage plant

지하 LNG 저장 시험장에서 극저온 환경에 의한 지반상태 변화의 규명

To investigate the feasibility of a new concept of storing Liquefied Natural Gas (LNG) in a lined hard rock cavern, and to develop essential technologies for constructing underground LNG storage facilities, a small pilot plant storing liquid nitrogen (LN2) has been constructed at the Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM). The LN2 stored in the cavern will subject the host rock around the cavern to very low temperatures, which is expected to cause the development of an ice ring and the change of ground condition around the storage cavern. To investigate and monitor changes in ground conditions at this pilot plant site, geophysical, hydrogeological, and rock mechanical investigations were carried out. In particular, geophysical methods including borehole radar and three-dimensional (3D) resistivity surveys were used to identify and monitor the development of an ice ring, and other possible changes in ground conditions resulting from the very low temperature of LN2 in the storage tank. We acquired 3D resistivity data before and after storing the LN2, and the results were compared. From the 3D images obtained during the three phases of the resistivity monitoring survey, we delineated zones of distinct resistivity changes that are closely related to the storage of LN2. In these results, we observed a decrease in resistivity at the eastern part of the storage cavern. Comparing the hydrogeological data and Joint patterns around the storage cavern, we interpret this change in resistivity to result from changes in the groundwater flow pattern. Freezing of the host rock by the very low temperature of LN2 causes a drastic change in the hydrogeological conditions and groundwater flow patterns in this pilot plant.

복공식 시하공동내에 액화천연가스(LNG)를 저장하는 새로운 LNG 저장기술의 타당성을 검증하고 실규모 저장소 건설을 위한 기반기술의 개발을 위하여 액화질소를 저장하는 소규모 시험장을 한국지질자원연구윈 구내에 건설하였다. 액화질소를 지하공동내에 저장함에 따라 공동주변의 암반은 극저온 환경의 직접적인 영향을 받게 되므로, 공동주변에 결빙층(ice ring)의 형성은 물론 지반상태 변화를 수반할 것으로 예상되었다. 이 시험장에서는 지반상태의 변화 규명과 모니터링을 위하여 물리탐사, 수리지질조사, 암반공학 조사 등이 수행되었으며, 특히 시추공 레이다와 3 차원 전기비저항 탐사를 포함하는 물리탐사법을 적용하여 극저온 환경으로 인한 암반내 결빙층의 형성을 탐지하고 지반상태 변화를 모니터링 하였다. 특히, 3차원 전기비저항 탐사자료는 액화질소의 저장 전후에 획득하여 그 결과를 비교하였으며, 3 단계에 걸쳐 획득한 3 차원 전기비저항 영상들로부터 액화질소의 저장에 기인한 뚜렷한 전기비저항 변화 영역을 도출하였다. 저장공동의 동쪽부에서 전기비저항의 감소를 보였으며, 수리지질조사 결과와 저장소 주변의 여러 패턴을 비교, 검토하여 이와 같은 전기비저항의 변화가 지하수 흐름의 변화에 기인하는 것으로 해석하였다. 즉, 극저온의 액화질소에 의한 암반의 동결로 인하여 공동주변의 수리지질조건 및 지하수 흐름에 변화가 발생하는 등, 저장소 가동 이전의 지반상태로부터 뚜렷한 변화를 나타낸 것으로 해석되었다.