输气管道的平均温度
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15
天然气水合物形成的 地理地质条件
三个基本条件：低温（ <10℃ ），高压，天然气气源+水。 高纬度地区的永久冻土带。 海底水深300～500m以下(由温度决定)，主要附存于陆坡、岛屿和盆地 的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状出现。 从大地构造角度来讲，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、 被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等 构造单元内。
到目前为止，在世界海域内已有60处直接或间接发现 了天然气水合物，其中在18处钻探岩心中见到天然气水合 物，42处见有天然气水合物的地震标志BSR。
19
天然气水合物的调查 和研究意义
涉及领域: 能源工业 & 地球科学 包括：新一代能源的探查开发、天然气运输、 油气管道堵塞、温室效应、全球碳循环和气候 变化、古海洋、海洋地质灾害等。源自TT0(TQ
T0 )e ax
Di
PQ PZ aL
(1 e ax )
温降变化 示意图， 1-输油管； 2-输气管道
4
第二节 输气管道的平均温度
输气管道的平均温度
TCP
1 L
L
Tdx
0
由此得到温降公式：
TCP
T0
(TQ
T0
)
1
e aL
aL
TCP
T0
(TQ
T0
)
1
e aL
aL
Di
天然气水合物外观像冰雪，可以象酒精 块一样被点燃，所以也叫“可燃冰”。
7
天然气水合物结构与物性
CH4•5.99(± 0.07)H2O 1.9 to 9.7 MPa and 263 to 285 K. 天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度，剪切系数、 电介常数和热传导率均低于冰，天然气水合物的声波传播速 度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物，中子孔隙度低于饱 和水沉积物，天然气水合物的毛细管孔隙压力较高,这些差 别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。
23
天然气水合物的资源评价
要评价某海域天然气水合物的资源量，至少需要知 道两个参数：该海域天然气水合物矿藏的体积和富集率 （或孔隙充填率）。
通过多道地震的BSR及速度/振幅异常结构分析技术、 海底取样和深海钻探技术，可以获得天然气水合物矿藏 的分布、深度、厚度、产状，并可计算出体积；通过多 道地震、测井、垂直地震速度等方法，可以估算出天然 气水合物的富集率。
传热学关系可知：dQ KD(T T0) dx
因此：
M
KD(T
M
T0
)
dx
C
P
Di
dP
C
P
dT
令 a MK则CDP ：
d (T T0 ) dx
a(T
T0 )
Di
dP dx
非齐次线性微分方程，其通解为：
T T0 Ceax eax
Di
dP dx
eax dx
2
由于x=0时，T=TQ，所以：
24
天然气水合物的开采方法
开采方法： 目前主要有热激化法、减压法和注入剂法三种。 开发的最大技术难点： 保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。日益 增多的研究成果表明，由自然或人为因素所引起的温度压 力变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和 气候变暖等环境灾害。
25
夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物放入水中随即冒出大量气泡
22
天然气水合物的 调查和识别方法
调查技术手段： 地震地球物理探查、电磁探测、流体地球化学探查、海底微 地貌勘测、海底视象探查、海底热流探查、海底地质取样、 深海钻探等，但这些技术手段都不够成熟，有待进一步探索 和完善。 识别方法： 直接识别：如底质沉积物取样、钻探取样和深潜考察等。 间接识别：拟海底反射层（BSR）、速度和震幅异常结构、 地球化学异常、多波速测探与海底电视摄像等。
PQ PZ aL
1
1 aL
(1
e
aL
)
从公式中可以看出，地温越高，平均温度也越高，由 水力计算公式可知道，温度越高，输气能力越小，因此， 在进行管道设计时，应按照夏季地温的平均温度作为计 算温度
5
第三节 总传热系数
对埋地管道，其传热过程由三部分组成， 即气体至管壁的放热，罐壁、绝缘层、 防护层等N层的传热，管道至土壤的放 热
8
包合物之一：气体水合物
水-水：氢键 (hydrogen bond)
水分子“笼子 (cavity)”
外观为类冰晶体 非化学计量的 包合物 (clathrate)
气体分子：CH4, C2H4, C2H6, C3H8, Ne, Ar, Kr, Xe, N2, H2S, CO2,
9
气体水合物的类型
1
1
N
1 ln Di1
1
KD a1D1 i1 2i Di a2 DN 1
6
第四节天然气水合物及生成预测
天然气水合物为何物？
天然气水合物是气水合物（Gas Hydrate） 的一种，是天然气与水分子在高压低温 下形成的一种固态晶状物质。
因天然气中80%～90%的成分是甲烷，所 以也叫甲烷水合物(Methane Hydrate)。
对中东石油的重要性产生极大的影响。日本和印度在其 领海中发现大量的天然气水合物的矿藏，具有重大的地 缘政治意义。这两个国家已在大张旗鼓地研究开发和利 用天然气水合物。
21
天然气水合物开发的利和弊
可能出现的危害： 1 影响海底稳定性。天然气水合物在一定的压力和低温条件
下是稳定的，如果压力减小或温度增加就可能造成天然气 水合物的离解，从而造成地质灾害（井喷、海底塌陷和沿 岸滑坡等）。可能对海洋生态也有巨大的影响。 2 对气候的影响。据测算，甲烷的全球变暖的潜能在20年期 间内是二氧化碳的56倍。开采天然气水合物将有大量的甲 烷气体向大气中释放，这将对气候产生很大的影响。
14
气水合物的研究历史简述
不久，Villard在实验室合成了CH4、C2H6、C2H4、C2H2等的 水合物。 1919年，Scheffer和Meijer建立了一种新的动力学理论方法 来直接分析天然气水合物，他们应用Clausius—Clapeyron方 程建立三相平衡曲线，来推测水合物的组成。 1942年，Carson和Katz年研究了气水合物和富烃流体存在 下的四相平衡。 50年代曾用X射线晶体结构分析的方法研究了水合物的结 构。近年来用中子图示法做了研究，给出了水合物结构更完 整的概念（补充了X射线分析中关于水晶格中氢原子排列的 资料）。
有可能对能源工业、环境科学和地质学的 发展产生深刻的影响 。
20
天然气水合物开发的利和弊
利：美国地质调查局经过多年调查研究认为： 1 按保守估计，全世界以天然气水合物形式存在的碳总量
是地球上已知化石燃料中碳含量的2倍。 2 谁掌握天然气水合物的开采技术，谁就可以执21世纪世
界能源之牛耳。 天然气水合物的开发利用可能改变世界能源结构和
12
气体水合物的相平衡性质
13
气水合物的研究历史简述
1810年 Humphrg Davy 伦敦皇家研 究院 首次合成氯气水合物。 气水合物（Gas Hydrate）一词最早出 现在Davy次年所著的书中。 1832年 Faraday在实验室合成氯气水 合物Cl2·10H2O，并对水合物的性质作了 较系统的描述。 其后陆续在实验室合成了Br2、SO2、 CO2、H2S等的气水合物。 著名的Debray规则：在给定温度下， 所有可分解成固体和气体的固态物质都 有一个确定的分解压力，其随温度变化。 1884年Roozeboom提出了天然气水合 物形成的相理论。
据估计，陆地上20.7%和大洋底90%的地区，具有形成天然气水合物 的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上 的100倍以上。
16
自然界中天然气水合物的发现
1934年 前苏联在天然气输气管道里发现了天然气水合物。由于水 合物的形成，输气管道被堵塞。这一发现引起前苏联对天然气水合物 的重视。 1965年 前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿 藏，并引起多国科学家的注意。 1970年 前苏联开始对天然气水合物矿床进行商业开采。 1971年 美国学者Stoll等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气 水合物，并正式提出“天然气水合物”概念。 1974年，前苏联在黑海1950米水深处发现了天然气水合物的冰状晶 体样品。 1979年，国际深海钻探计划（DSDP）第66和67航次在墨西哥湾实施 深海钻探，从海底获得91.24米的天然气水合物岩心，首次验证了海底 天然气水合物矿藏的存在。
晶体类型 I型 II型
H型
水分子数 晶穴种类 晶穴数 晶穴结构
46
小
2
512
大
6
51262
136
小
16
512
大
8
51264
小
3
512
34
中
2
435663
大
1
51268
10
11
气体水合物的储气性质
1 m3 水合物
164 Nm3 天然气
＋
0.8 m3水
储气能力：160 atm钢瓶 110 kg甲烷/m3水合物
第八章 输气管道热力计算
第一节 输气管道的温度变化规律
1温降基本公式
由能量方程推导温降公式。稳定流动的能量方程：
h dT h dP v dv g sin dQ
T P dx P T dx dx
dx
忽略高差和速度变化的影响，则：
h dT h dP dQ T P dx P T dx dx
另外由热力学知识可知：
h P T
h T
T P P h
因此： h dT h T dP dQ
T P dx T P P h dx dx
1
温降基本公式
由于：
h T
P
CP
T P
h
Di
则： CP dT CP Di dp dQ
dQ表示单位质量气体在单位管长上的热量损失，由
18
自然界中天然气水合物的发现
1999年，日本在其静冈县御前崎近海挖掘出天然气水合物。 2004年, 中德首次发现了我国南海天然气水合物气体“冷泉”喷溢形 成的巨型碳酸盐岩，证实了该工作海域陆坡浅表层存在天然气水合物。 此次考察还通过海底电视观测和海底电视监视抓斗取样，首次发现了 自生碳酸盐岩分布面积约430万平方公里的巨大区域。
17
自然界中天然气水合物的发现
1981年，DSDP计划利用“格罗玛·挑战者号”钻探船也从海底取上了3 英尺长的水合物岩心。 1992年，大洋钻探计划（ODP）第146航次在美国俄勒冈州西部大陆 边缘Cascadia海台取得了天然气水合物岩心。 1995年，ODP第164航次在美国东部海域布莱克海台实施了一系列深 海钻探，取得了大量水合物岩心，首次证明该矿藏具有商业开发价值。 到1997年，DSDP和ODP在10个深海地区发现了大规模天然气水合物： 秘鲁海沟陆坡、中美洲海沟陆坡（哥斯达黎加、危地马拉、墨西哥）、 美国东南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本的两个海域、阿拉 斯加近海和墨西哥湾等海域。 1998年，日本与加拿大合作，在加拿大西北Mackenzie三角洲进行 了水合物钻探，在890～952米深处获得37米水合物岩心。该钻井深 1150米，是高纬度地区永冻土带研究气体水合物的第一口井。
26
这是夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物
27
“可燃冰”释放的气体能够在空气中燃烧(资料照片)。
28
29
天然气水合物资源量
天然气水合物中的碳量 11013吨
相当于已探明所有化石能源碳量总和的2倍
15%
5%
53% 27%
Natural Gas Hydrate
Fossil Fuels
Other fuels on the land
Other fuels in the ocean
30
目前最大的国际合作项目 参与国：加拿大、日本、德国、美国、印度
研究： 天然气水合物性质 天然气水合物的开采技术 对全球气侯变化的影响 大陆的稳定性
气体不断膨胀，气体分子间的距离增大，从而必须消耗 能量来克服分子间的引力，在外界不补充能量的情况下，
这个能量就由气体本身供给，从而使气体本身冷却。
3
（2）若不考虑节流效应，则得到苏霍夫公式
T T0 (TQ T0 )eax
（3）若考虑压力沿管长为近似线性分布，即：dp PQ PZ
dx
L
则：
T T0 (TQ T0 )eax Di eax
dP eax dx dx
公式分析：
（1）公式中最后一项是考虑焦耳—汤姆逊效应的影响， 焦耳—汤姆逊效应也叫节流效应，这一项是小于零的， 说明考虑节流效应后温度比不考虑节流效应时下降得快。 所谓节流效应，就是气体在不与外界进行热交换的情况
下，其本身的冷却现象。输气管道沿线压力逐渐降低，
天然气水合物形成的 地理地质条件
三个基本条件：低温（ <10℃ ），高压，天然气气源+水。 高纬度地区的永久冻土带。 海底水深300～500m以下(由温度决定)，主要附存于陆坡、岛屿和盆地 的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状出现。 从大地构造角度来讲，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、 被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等 构造单元内。
到目前为止，在世界海域内已有60处直接或间接发现 了天然气水合物，其中在18处钻探岩心中见到天然气水合 物，42处见有天然气水合物的地震标志BSR。
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天然气水合物的调查 和研究意义
涉及领域: 能源工业 & 地球科学 包括：新一代能源的探查开发、天然气运输、 油气管道堵塞、温室效应、全球碳循环和气候 变化、古海洋、海洋地质灾害等。源自TT0(TQ
T0 )e ax
Di
PQ PZ aL
(1 e ax )
温降变化 示意图， 1-输油管； 2-输气管道
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第二节 输气管道的平均温度
输气管道的平均温度
TCP
1 L
L
Tdx
0
由此得到温降公式：
TCP
T0
(TQ
T0
)
1
e aL
aL
TCP
T0
(TQ
T0
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1
e aL
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天然气水合物外观像冰雪，可以象酒精 块一样被点燃，所以也叫“可燃冰”。
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天然气水合物结构与物性
CH4•5.99(± 0.07)H2O 1.9 to 9.7 MPa and 263 to 285 K. 天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度，剪切系数、 电介常数和热传导率均低于冰，天然气水合物的声波传播速 度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物，中子孔隙度低于饱 和水沉积物，天然气水合物的毛细管孔隙压力较高,这些差 别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。
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天然气水合物的资源评价
要评价某海域天然气水合物的资源量，至少需要知 道两个参数：该海域天然气水合物矿藏的体积和富集率 （或孔隙充填率）。
通过多道地震的BSR及速度/振幅异常结构分析技术、 海底取样和深海钻探技术，可以获得天然气水合物矿藏 的分布、深度、厚度、产状，并可计算出体积；通过多 道地震、测井、垂直地震速度等方法，可以估算出天然 气水合物的富集率。
传热学关系可知：dQ KD(T T0) dx
因此：
M
KD(T
M
T0
)
dx
C
P
Di
dP
C
P
dT
令 a MK则CDP ：
d (T T0 ) dx
a(T
T0 )
Di
dP dx
非齐次线性微分方程，其通解为：
T T0 Ceax eax
Di
dP dx
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由于x=0时，T=TQ，所以：
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天然气水合物的开采方法
开采方法： 目前主要有热激化法、减压法和注入剂法三种。 开发的最大技术难点： 保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。日益 增多的研究成果表明，由自然或人为因素所引起的温度压 力变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和 气候变暖等环境灾害。
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夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物放入水中随即冒出大量气泡
22
天然气水合物的 调查和识别方法
调查技术手段： 地震地球物理探查、电磁探测、流体地球化学探查、海底微 地貌勘测、海底视象探查、海底热流探查、海底地质取样、 深海钻探等，但这些技术手段都不够成熟，有待进一步探索 和完善。 识别方法： 直接识别：如底质沉积物取样、钻探取样和深潜考察等。 间接识别：拟海底反射层（BSR）、速度和震幅异常结构、 地球化学异常、多波速测探与海底电视摄像等。
PQ PZ aL
1
1 aL
(1
e
aL
)
从公式中可以看出，地温越高，平均温度也越高，由 水力计算公式可知道，温度越高，输气能力越小，因此， 在进行管道设计时，应按照夏季地温的平均温度作为计 算温度
5
第三节 总传热系数
对埋地管道，其传热过程由三部分组成， 即气体至管壁的放热，罐壁、绝缘层、 防护层等N层的传热，管道至土壤的放 热
8
包合物之一：气体水合物
水-水：氢键 (hydrogen bond)
水分子“笼子 (cavity)”
外观为类冰晶体 非化学计量的 包合物 (clathrate)
气体分子：CH4, C2H4, C2H6, C3H8, Ne, Ar, Kr, Xe, N2, H2S, CO2,
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气体水合物的类型
1
1
N
1 ln Di1
1
KD a1D1 i1 2i Di a2 DN 1
6
第四节天然气水合物及生成预测
天然气水合物为何物？
天然气水合物是气水合物（Gas Hydrate） 的一种，是天然气与水分子在高压低温 下形成的一种固态晶状物质。
因天然气中80%～90%的成分是甲烷，所 以也叫甲烷水合物(Methane Hydrate)。
对中东石油的重要性产生极大的影响。日本和印度在其 领海中发现大量的天然气水合物的矿藏，具有重大的地 缘政治意义。这两个国家已在大张旗鼓地研究开发和利 用天然气水合物。
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天然气水合物开发的利和弊
可能出现的危害： 1 影响海底稳定性。天然气水合物在一定的压力和低温条件
下是稳定的，如果压力减小或温度增加就可能造成天然气 水合物的离解，从而造成地质灾害（井喷、海底塌陷和沿 岸滑坡等）。可能对海洋生态也有巨大的影响。 2 对气候的影响。据测算，甲烷的全球变暖的潜能在20年期 间内是二氧化碳的56倍。开采天然气水合物将有大量的甲 烷气体向大气中释放，这将对气候产生很大的影响。
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气水合物的研究历史简述
不久，Villard在实验室合成了CH4、C2H6、C2H4、C2H2等的 水合物。 1919年，Scheffer和Meijer建立了一种新的动力学理论方法 来直接分析天然气水合物，他们应用Clausius—Clapeyron方 程建立三相平衡曲线，来推测水合物的组成。 1942年，Carson和Katz年研究了气水合物和富烃流体存在 下的四相平衡。 50年代曾用X射线晶体结构分析的方法研究了水合物的结 构。近年来用中子图示法做了研究，给出了水合物结构更完 整的概念（补充了X射线分析中关于水晶格中氢原子排列的 资料）。
有可能对能源工业、环境科学和地质学的 发展产生深刻的影响 。
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天然气水合物开发的利和弊
利：美国地质调查局经过多年调查研究认为： 1 按保守估计，全世界以天然气水合物形式存在的碳总量
是地球上已知化石燃料中碳含量的2倍。 2 谁掌握天然气水合物的开采技术，谁就可以执21世纪世
界能源之牛耳。 天然气水合物的开发利用可能改变世界能源结构和
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气体水合物的相平衡性质
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气水合物的研究历史简述
1810年 Humphrg Davy 伦敦皇家研 究院 首次合成氯气水合物。 气水合物（Gas Hydrate）一词最早出 现在Davy次年所著的书中。 1832年 Faraday在实验室合成氯气水 合物Cl2·10H2O，并对水合物的性质作了 较系统的描述。 其后陆续在实验室合成了Br2、SO2、 CO2、H2S等的气水合物。 著名的Debray规则：在给定温度下， 所有可分解成固体和气体的固态物质都 有一个确定的分解压力，其随温度变化。 1884年Roozeboom提出了天然气水合 物形成的相理论。
据估计，陆地上20.7%和大洋底90%的地区，具有形成天然气水合物 的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上 的100倍以上。
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自然界中天然气水合物的发现
1934年 前苏联在天然气输气管道里发现了天然气水合物。由于水 合物的形成，输气管道被堵塞。这一发现引起前苏联对天然气水合物 的重视。 1965年 前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿 藏，并引起多国科学家的注意。 1970年 前苏联开始对天然气水合物矿床进行商业开采。 1971年 美国学者Stoll等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气 水合物，并正式提出“天然气水合物”概念。 1974年，前苏联在黑海1950米水深处发现了天然气水合物的冰状晶 体样品。 1979年，国际深海钻探计划（DSDP）第66和67航次在墨西哥湾实施 深海钻探，从海底获得91.24米的天然气水合物岩心，首次验证了海底 天然气水合物矿藏的存在。
晶体类型 I型 II型
H型
水分子数 晶穴种类 晶穴数 晶穴结构
46
小
2
512
大
6
51262
136
小
16
512
大
8
51264
小
3
512
34
中
2
435663
大
1
51268
10
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气体水合物的储气性质
1 m3 水合物
164 Nm3 天然气
＋
0.8 m3水
储气能力：160 atm钢瓶 110 kg甲烷/m3水合物
第八章 输气管道热力计算
第一节 输气管道的温度变化规律
1温降基本公式
由能量方程推导温降公式。稳定流动的能量方程：
h dT h dP v dv g sin dQ
T P dx P T dx dx
dx
忽略高差和速度变化的影响，则：
h dT h dP dQ T P dx P T dx dx
另外由热力学知识可知：
h P T
h T
T P P h
因此： h dT h T dP dQ
T P dx T P P h dx dx
1
温降基本公式
由于：
h T
P
CP
T P
h
Di
则： CP dT CP Di dp dQ
dQ表示单位质量气体在单位管长上的热量损失，由
18
自然界中天然气水合物的发现
1999年，日本在其静冈县御前崎近海挖掘出天然气水合物。 2004年, 中德首次发现了我国南海天然气水合物气体“冷泉”喷溢形 成的巨型碳酸盐岩，证实了该工作海域陆坡浅表层存在天然气水合物。 此次考察还通过海底电视观测和海底电视监视抓斗取样，首次发现了 自生碳酸盐岩分布面积约430万平方公里的巨大区域。
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自然界中天然气水合物的发现
1981年，DSDP计划利用“格罗玛·挑战者号”钻探船也从海底取上了3 英尺长的水合物岩心。 1992年，大洋钻探计划（ODP）第146航次在美国俄勒冈州西部大陆 边缘Cascadia海台取得了天然气水合物岩心。 1995年，ODP第164航次在美国东部海域布莱克海台实施了一系列深 海钻探，取得了大量水合物岩心，首次证明该矿藏具有商业开发价值。 到1997年，DSDP和ODP在10个深海地区发现了大规模天然气水合物： 秘鲁海沟陆坡、中美洲海沟陆坡（哥斯达黎加、危地马拉、墨西哥）、 美国东南大西洋海域、美洲西部太平洋海域、日本的两个海域、阿拉 斯加近海和墨西哥湾等海域。 1998年，日本与加拿大合作，在加拿大西北Mackenzie三角洲进行 了水合物钻探，在890～952米深处获得37米水合物岩心。该钻井深 1150米，是高纬度地区永冻土带研究气体水合物的第一口井。
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这是夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物
27
“可燃冰”释放的气体能够在空气中燃烧(资料照片)。
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天然气水合物资源量
天然气水合物中的碳量 11013吨
相当于已探明所有化石能源碳量总和的2倍
15%
5%
53% 27%
Natural Gas Hydrate
Fossil Fuels
Other fuels on the land
Other fuels in the ocean
30
目前最大的国际合作项目 参与国：加拿大、日本、德国、美国、印度
研究： 天然气水合物性质 天然气水合物的开采技术 对全球气侯变化的影响 大陆的稳定性
气体不断膨胀，气体分子间的距离增大，从而必须消耗 能量来克服分子间的引力，在外界不补充能量的情况下，
这个能量就由气体本身供给，从而使气体本身冷却。
3
（2）若不考虑节流效应，则得到苏霍夫公式
T T0 (TQ T0 )eax
（3）若考虑压力沿管长为近似线性分布，即：dp PQ PZ
dx
L
则：
T T0 (TQ T0 )eax Di eax
dP eax dx dx
公式分析：
（1）公式中最后一项是考虑焦耳—汤姆逊效应的影响， 焦耳—汤姆逊效应也叫节流效应，这一项是小于零的， 说明考虑节流效应后温度比不考虑节流效应时下降得快。 所谓节流效应，就是气体在不与外界进行热交换的情况
下，其本身的冷却现象。输气管道沿线压力逐渐降低，