US Strategic Petroleum Reserve背后的工程学

# 美国战略石油储备背后的工程学 来源：https://johnjwang.com/post/2026/09/15/engineering-behind-us-strategic-petroleum-reserve 最近我了解到一件非常引人入胜的事情，那就是美国战略石油储备背后的工程学。以下是其设计需要满足的关键要求： - 长期储存数亿桶原油，以应对石油供应中断（https://www.energy.gov/hgeo/opr/strategic-petroleum-reserve）。 - 保护石油免受对手攻击。这尤其困难，因为石油有易燃倾向，大量集中储存尤其难以确保安全。 - 快速释放石油，以便在供应中断时能迅速投放市场。 - 保持低维护成本并持续数十年。 实际的解决方案，如同许多伟大的工程方案一样，异常优雅而简单。但在我们讨论它之前，让我们先思考一下你可能如何着手解决这个问题： ## 朴素的解决方案：外浮顶罐 俄克拉荷马州库欣的恩桥油库，一个带有外部楼梯的大型储油罐。俄克拉荷马州库欣的恩桥油库，2010年4月。照片：roy.luck（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Enbridge_tank_farm,_Cushing_OK.jpg），CC BY 2.0（https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/）。 审视这些要求，大多数人首先想到的可能就是直接采用商业储油方式并扩大规模。外浮顶罐（EFRTs）（https://en.wikipedia.org/wiki/External_floating_roof_tank）是储存石油的常见解决方案。大多数罐体高度约50英尺，直径约300英尺——更大的尺寸会引发地基和排水系统的工程问题。其体积为 $V = \pi (150 \mathrm{ft})^2(50 \mathrm{ft})$，即 $3{,}532{,}500 \mathrm{ft}^3$，相当于约63万桶石油。 要储存7.14亿桶石油（战略石油储备的满库容量），你需要大约1130个这样的罐。如果按照标准容量的最大商业油库（例如，俄克拉荷马州库欣）计算，你需要约45,000英亩土地来放置这些罐。这大致相当于华盛顿特区的面积，意味着你需要获取大量土地。 然而，使用罐体的最大缺点是它们极易受到攻击。损坏可能导致泄漏和火灾，而浮顶与罐壳之间的密封处是一个特定的薄弱点。有记录显示，闪电曾引起敞口浮顶罐密封空间内的火灾（https://law.resource.org/pub/us/cfr/ibr/002/api.2003.1998.pdf#page=38），因此人为的点火源（如弹片、燃烧弹）可能造成更严重的后果。 ## 将罐体置于地下 接下来，人们可能会考虑将石油储存在地下。海军实际上在珍珠港附近的红丘设施（https://en.wikipedia.org/wiki/Red_Hill_Underground_Fuel_Storage_Facility）就是这样做的。该设施建于1943年，在开挖的火山岩内建造了20个巨大的内衬钢衬的混凝土罐。每个罐直径约100英尺，高约250英尺，容量与大型外浮顶罐相当。整个设施可储存600万桶燃料。周围的岩层提供了对空袭的防护，这是建造该设施的一个主要原因。但这是一项浩大的工程，数千名工人挖掘了隧道、安装了钢衬并浇筑了混凝土。原始建造成本为4220万美元（约合2026年的8.2亿美元）（https://ascelibrary.com/doi/abs/10.1061/JLADAH.LADR-1005）。 此外，地下水保护成为一项重大挑战。2014年，一个罐体泄漏了约27,000加仑燃料。2021年的多次泄漏污染了海军的饮用水系统，迫使海军对设施进行排油并永久关闭（https://www.epa.gov/red-hill/about-fuel-releases）。 还有一个规模问题。要达到7.14亿桶的容量，大约需要119个红丘设施规模的容量，并有足够的空间将这些罐体置于地下。这将是一项极其庞大的建设工程，耗资数千亿美元（即使对于政府来说，这也是极其昂贵的）。 ## 实际解决方案：盐穴 那么，美国是如何解决的呢？关键在于利用位于墨西哥湾沿岸德克萨斯州和路易斯安那州的四个地点的盐丘。美国在这些盐丘内创造了巨大的地下洞穴，每个可储存约1000万桶石油（比整个红丘设施的容量还大）。能源部目前列出了60个洞穴，经授权的总储存容量约为7.14亿桶（https://www.energy.gov/hgeo/opr/spr-storage-sites）。 几个特性使得这一方案得以实现： - 圆柱形洞穴是通过水来挖掘的。工程师钻入盐丘并注入淡水。盐溶解在水中，然后使用泵抽出产生的卤水，留下可用于储存石油的洞穴。 - 盐能容纳石油并有助于封闭微小裂缝。战略石油储备洞穴周围的岩盐渗透率极低，意味着流体几乎无法穿透。它也不与石油反应。在巨大的地下压力作用下，盐还会缓慢变形，有助于闭合微小裂缝。因此，盐层本身就能容纳石油，无需用钢和混凝土衬砌洞穴。 - 油浮在水面上，这意味着将水注入洞穴底部可以将石油推出。当淡水被泵入洞穴底部时，石油被向上置换，进入输送系统。 - 作为额外好处，选址有助于石油运抵市场。墨西哥湾沿岸的位置使储备靠近炼油厂、管道和海运码头，这在需要供应中断时输送石油的情况下尤为有用。 这种储存解决方案相对便宜。能源部的历史性资本成本估算约为每桶洞穴储存容量3.50美元（https://www.energy.gov/hgeo/opr/spr-faqs），而地面罐则需15-18美元。将石油深埋地下也有助于保护其免受空袭。 尽管如此，仍然存在权衡取舍。创建洞穴需要水源和处理卤水的方法。在抽取过程中注入的淡水会溶解更多的盐，逐渐扩大洞穴。这限制了反复循环使用，并使得洞穴的监测和维护变得非常重要。井筒、泵和管道也需要持续维护，因此频繁的抽取可能会损害基础设施。