History and Present Status of Hydrocarbon Storage in Excavated Rock Caverns
Authors: Lindblom U. E. 
Published: December 2007

The idea of storing hydrocarbon products underground for protection was practised already during the first world war. However, only after the development of techniques to achieve full containment in caverns without any wall protection, the underground storage of crude oil, oil products and LPG became commercially attractive in the 1950's. Hundreds of such storage caverns have been constructed in hard rock since that time, predominantly in Scandinavia and in the USA. In later years, several caverns have been constructed in third world countries as well. The basic working principle for unlined rock caverns is the action of groundwater in rock fractures. By maintaining a cavern pressure which is below the groundwater pressure at all points on the cavern periphery, there will be no possibility for the hydrocarbon to migrate into the rock mass. Storing natural gas in rock caverns is a new challenge for rock engineers. Economy here requires that the caverns are designed to accept high gas pressure or low condensate temperature (LNG). Substantial research is underway to clarify rock mechanical, hydrogeological and thermodynamic problems associated with such storage.

L'idée d'emmagasiner les produits d'hydrocarbures sous-terre était déjå mise en pratique durant la premiére guerre mondiale. Cependant, ce n'est qu'apres le développement de techniques pour réaliser un stockage complet dans des cavemes sans auctrne protection des parois que remmagasinage souterrain du pétrol brut, des produits pétoliers et du GPL est devenu commercialement attrayant durant les annés cinquante. Des centaines de ces cavemes d'emmagasinage ont été construites dans la roche dure, en premier lieu en Scandinavie et aux USA. Durant les annés suivantes, plusieurs cavemes d'hydrocarbures ont été de méme construites dans les pays du tiers monde. Le principe de base du fonctionnement des cavemes nues est 1’action de l'eau souterraine dans les fractures de la roche. Si l'on maintient la pression d'une caveme, qui est plus basse que la pression de 1’eau souterraine en tout point de la périphérie de la caveme, il n'y await aucune possibilité pour l'hydrocarbure d'immigrer dans le massif rocheux. Un cas particulier est l'emmagasinage du GPL réfrigéré en dessous de 0°C lorsqu'une zone d'eau souterraine gelée est créée autour de la caveme. Méme dans ce cas une pression d'eau souterraine plus haute que celle de la caveme est requise pour maintenir la barriere de glace de tout temps. La possibilité d'emmagasiner du gaz naturel dans des cavemes est un nouveau défipour les ingénieurs de la roche. L’économie éxige un design de caveme qui accepte une haute pression de gaz ou une basse température de condensé (GNL). Des travaux de recherches considérables sont en cours afm de clarifier les problémes mécaniques, hydrogéologiques et thermodynamiques associés å ce genre d'emmagasinage.

Die Idee Kohlenwasserstofferzeugnisse zum Schutz unterirdisch zu lagern wurde schon während des ersten Weltkrieges verwirklicht. Aber erst nach technischer Entwicklung den zu Verfügung stehenden Hohlraum einer Kaverne, ohne jeglichen Wandschutzes, inhaltlich voll auszunutzen wurde das unterirdische Lagern von Rohöl, Ölerzeugnissen und "LPG" handelsüblich attraktiv in den fünfziger Jahren. Hunderte solcher Lagerungskavemen in hartem Fels wurden seitdem gebaut, hauptsächlich in Skandinavien und in den U.S.A. In den letzten Jahren sind auch in Ländern der "dritten Welt" mehrere Kohlenwasserstoffkaveme gebaut worden. Das grundlegende Arbetsprinzip für unausgekleidete Felskavemen ist das Wirken von Grundwasser in Felsbrüchen. Durch Aufrechterhalten eines Kavemendruckes, niedriger als der Grundwasserdruck, an allen Punkten der Kavemenperipherie ist dem Kohlenwasserstoff keine Möglichkeit gegeben in die Felsmasse zu entweichen. Eine Besonderheit ist das Lagern von gekühltem LPG under 0°C durch Bildung einer Zone gefrorenen Grundwassers um die Kaverne. Sogar in diesem Fall ist ein Grundwasserdruck höher als der Kavemendruck notwendig um den Eissiegel fortwährend aufrechtzuerhalten. Die Möglichkeit Erdgas in Felskavemen zu lagern ist eine neue Herausforderung für Felsingenieure. Die Forderung nach Wirtschaftlichkeit zwingt uns hier beim Entwurf der Kaverne einen hohen Gasdruck oder eine tiefe Kondensationstemperatur zu akzeptieren (LNG). Eine wesentliche Forschung ist im Gang die, mit solcher Lagerung verbundenen, felsmechanischen, hydrogeologischen und thermodynamischen Probleme zu klären.