天然气水合物简析
天然气水合物
一般来说, 人为地打破天然气水合物稳定存在的温压条件使其分解, 是目 前开采天然气水合物的主要途径。但是要考虑到天然气水合物作为储存 区地层的构成部分，在稳定该区域地层方面起着相当重要的作用。 众所周知, 二氧化碳是最重要的温室气体, 其在大气中含量增高是导致全 球气候变暖的主要原因之一。因此深海地层处置被认为是减少CO2排向 大气的有效手段。研究显示，当CO2 被收集起来并注入深海地层，将形 成CO2 水合物。 因此人们设想，若将CO2注入天然气水合物聚集层，既能将其中的CH4 置换出来， 又能有效减少CO2 向大气排放，还可以保持地层的稳定性 。由此Ebinuma及Ohgaki等于1996年提出了CO2 置换法开采天然气水 合物。
天然气水合物
天然气水合物简介
天然气水合物是在一定条件下由轻烃、二氧 化碳及硫化氢等小分子气体与水相互作用形 成的白色固态结晶物质，是一种非化学计量 型晶体化合物，或称笼形水合物，也称为可 燃冰、甲烷水合物、甲烷冰。
在自然界发现的天然气水合物多为白色、淡 黄色、琥珀色、和暗褐色，呈亚等轴状、层 状、小针状结晶或分散状。
形成原因
海洋生成
有两种不同种类的海洋存量。 最常见的绝大多数都是甲烷包覆于结构Ⅰ型的包合物，而且一般都 在沉淀物的深处才能发现。在此结构下，甲烷中的碳同位素较轻，因此 指出其是微生物由CO2的氧化还原作用而来。 在接近沉积物表层所发现较少见的第二种结构中，某些样本有较高 比例的碳氢化合物长链包含于结构Ⅱ型的包合物中。其甲烷的碳同位素 较重，据推断是由沉积物深处的有机物质，经热分解后形成甲烷而往上 迁移而成。
当存在游离水时，CO2 比CH4有更高的亲和势，更易使游离水形成水合 物，这有利于反应向正方向进行。 CO2与CH4的水合物均为结构Ⅰ型，发生在CO2与CH4水合物之间的置换 反应方程式为：
天然气水合物研究与开发
天然气水合物研究与开发天然气水合物是一种新型的燃料资源，其储量相当丰富，可成为未来能源转型的重要后备力量。
目前，天然气水合物研究与开发已经成为全球能源科技的热点。
一、什么是天然气水合物天然气水合物，是一种以天然气和水形式结合的化合物，也称为天然气冰或脆冰。
它的分子结构是由天然气分子和水分子构成的六边形晶格结构，其中天然气占70%左右，水分子占30%左右。
由于这种化合物在常温常压下呈脆性，有如冰块，因此被称为水合物。
天然气水合物分布广泛，主要分布在浅海和大陆架上，特别是北极地区、南海和日本海等开垦较少的区域。
据估算，全球天然气水合物储量超过14万亿立方米，其中中国的海域储量最高，达3400亿立方米以上，是世界最大的天然气水合物资源国家。
二、天然气水合物研究与开发现状天然气水合物研究和开发虽然起步较晚，但近年来取得了密集的进展。
目前，全球主要的天然气水合物开发国家包括日本、美国、加拿大、印度、中国等。
在日本，多家大型能源公司已经积极投资天然气水合物的开发研究。
日本已经建立了一系列天然气水合物研究机构，主要研究领域包括天然气水合物开采、运输、存储等方面。
美国和加拿大也在积极开展天然气水合物研究工作，主要集中在研究天然气水合物的资源量和开采技术等。
美国已经成立了多个天然气水合物研究中心和联合实验室，而加拿大则在开采海域天然气水合物方面颇具优势。
在印度，天然气水合物研究和开发也备受重视。
印度天然气公司和国家天然气水合物公司联合投资，开展天然气水合物研究和开采工作。
中国也将天然气水合物作为战略能源资源来进行研究开发。
自2013年以来，中国天然气水合物开发基地建设进展迅速，中国海油、中海油、中化集团等多家国内大型能源公司也进行了天然气水合物研究和开发工作。
三、天然气水合物的优缺点与传统燃料相比，天然气水合物具有许多优点。
首先，天然气水合物储量丰富，可作为未来的主要能源资源；其次，天然气水合物燃烧释放出的二氧化碳排放量较低，不会对环境造成较大污染；最后，天然气水合物与液化天然气相比，其产生的碳排放量更少，能源利用效率更高。
天然气管道输送过程中的水合物形成机制分析
天然气管道输送过程中的水合物形成机制分析天然气是一种在现代社会中广泛使用的清洁能源，其在国家的工业、民生生产中扮演着至关重要的角色。
为了满足日益增长的能源需求，我们需要建设更加完善的天然气输送系统。
然而，在天然气运输过程中，常常会遇到水合物的形成问题。
本文将讨论天然气管道输送过程中的水合物形成机制，并探讨其防治措施。
一、水合物形成的原因1、低温低压环境下天然气和水分子结合而形成水合物。
当天然气的温度和压力在水的存在下降到临界点以下时，天然气中的甲烷、乙烷等气体分子会被水分子“包裹”起来形成水合物。
2、管道内的杂质和微生物会促进水合物的形成。
管道内存在的异物如污垢、灰尘、油脂等均可作为水合物形成的催化剂。
另外，管道中的微生物也是水合物形成的重要催化剂。
二、水合物的危害水合物的形成会导致管道内径变小，阻力增大，甚至堵塞管道。
此外，水合物的形成也会引起管道的腐蚀和破裂，严重危害天然气输送系统的安全性。
三、水合物防治措施1、控制温度和压力。
通过控制天然气输送管道内部的温度和压力，可以减缓水合物的形成速度。
一般情况下，提高管道内的温度和压力可以抑制水合物的形成。
2、清洗管道。
经常对管道进行清洗和维护，可有效减少管道中的异物，从而减少水合物形成的催化剂。
3、使用添加剂。
可添加一定量的防水合物剂，如甲醇、乙醇等混合物，以减少水合物的形成。
4、提高管道的质量。
在天然气输送管道的铺设和设计上，应严格按照标准施工，尽可能减少管道内径变小、弯曲或坡度变化的情况，从而降低水合物形成的风险。
总之，天然气管道输送过程中的水合物形成机制是一个既有理论支撑又有实践指导的工程问题。
合理运用各种技术手段和防治措施，能有效降低水合物对天然气输送系统的危害，提高系统的可靠性和安全性。
天然气水合物
天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。
因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。
它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物（碳的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键，构成笼状结构）。
它可用mCH4·nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。
组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。
形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物（Methane Hydrate）。
到目前为止，已经发现的天然气水合物结构类型有三种，即I型结构、II型结构和H型结构。
I型结构气水合物为立方晶体结构，其在自然界分布最为广泛，其仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·5.75H2O的几何格架。
II型结构气水合物为菱型晶体结构，除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类。
H型结构气水合物为六方晶体结构，其大的“笼子”甚止可以容纳直径超过异丁烷（i-C4）的分子，如i-C5和其他直径在7.5～8.6A之间的分子（表2）。
H型结构气水合物早期仅见于实验室，1993年才在墨西哥湾大陆斜坡发现其天然形态。
II型和H 型水合物比I型水合物更稳定。
除墨西哥湾外，在格林大峡谷地区也发现了I、II、H型三种气水合物共存的现象。
天然气水合物
4、2023年中国地质调查局同意了“天然气水合 物取样技术方案研究”旳课题—中国地质大学（武 汉）；
5、2023年国土资源部对天然气水合物旳保压取 样器立项研究—中国地质科学院勘探技术研究所；
6、2023年国家准备开启专题基金，3千万元人 民币。
估计在2023年进行开采。
引起这场火灾旳，原来是一种叫做水化甲烷旳
天然气水合物。
-> 可燃冰 !!
何为“天然气水合物” ？
¡ 天然气水合物，也称气体水合物，是由天然气与水分 子在高压（>100大气压或>10MPa）和低温（0～ 10℃）条件下合成旳一种固态结晶物质。因天然气中 80%～90%旳成份是甲烷，故也有人叫天然气水合 物为甲烷水合物。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶 体，外貌类似冰雪，能够象酒精块一样被点燃，故也 有人叫它“可燃冰”。
Hale Waihona Puke 如美国和日本旳近海海域，加勒比海沿岸及我国
南海和东海海底都有储备，估计我国黄海海域和青藏 高原旳冻土带也有储备。
估计全世界甲烷水合物旳储量达 1.87×1017m3（按甲烷计），是目前煤、石油和 天然气储量旳二倍，其中，海底旳甲烷水合物储量占 99％。
天然气水合物—将来旳替代能源
★估计全球储量：
海域：1610千亿吨(数百年)； 冻土地域： 5.3千亿吨。
（3）在里海和巴拿马北部近海还发觉水合物分解产生旳海 底泥火山。
（4）全球冻土层退化（如我国旳青藏高原冻土层），存在 天然气水合物大量释放旳危险。
（5）在高纬度永冻土带及极地地域，油井、油气管道等生 产设施中水合物旳形成会造成管路堵塞，而产生事故或灾害 。
气候
CH4旳温室效应比C02要大21倍。在自然界，压 力和温度旳微小变化都会引起天然气水合物分解，并 向大气中释放甲烷气体。
天然气水合物
天然气水合物一、简介天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。
因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。
分子式为CH4·8H2O。
组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S 等可形成单种或多种天然气水合物。
形成可燃冰有三个基本条件：温度、压力和原材料。
首先，低温。
可燃冰在0—10℃时生成，超过20℃便会分解。
海底温度一般保持在2—4℃左右，所以一般在冰土带的地方较多。
；其次，高压。
可燃冰在0℃时，只需30个大气压即可生成，而以海洋的深度，30个大气压很容易保证，并且气压越大，水合物就越不容易分解。
最后，充足的气源。
海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。
海底的地层是多孔介质，在温度、压力、气源三者都具备的条件下，可燃冰晶体就会在介质的空隙间中生成。
二、特点天然气水合物具有分布广、资源量巨大、埋藏浅、能量密度高的特点。
1.分布广泛据推算，世界上占海洋总面积90%的海域具有天然气水合物形成的温压条件；据调查，世界天然气水合物矿藏的面积可达全部海洋面积的30%以上。
目前，实际上在所有海洋边缘水深大于300～500m 的大陆斜坡上均已发现了天然气水合物，在一些海洋边缘的深水海台或盆地的浅部地层中也都直接或间接地发现有天然气水合物，在极地冻土带和极地陆架海也发现有天然气水合物，证明天然气水合物分布十分广泛。
据初步研究，我国东海陆坡和南海陆坡及盆地具备天然气水合物的成矿条件和找矿前景，其中南海西沙海槽、台湾东南陆坡已发现天然气水合物存在的地球物理标志。
2.资源量巨大天然气水合物是全球第二大碳储库，仅次于碳酸盐岩，其蕴藏的天然气资源潜力巨大。
据保守估算，世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为（1.8～2.1）×1016m3，其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2倍，也就是说，水合物中碳的总量是地球已知化石燃料中碳总量的两倍。
天然气水合物
天然气的露点是指在一定的压力条件下， 天然气中开始出现第一滴水珠时的温度。天然 气的露点降是在压力不变的情况下，天然气温 度降至露点温度时产生的温降值。 通常，要求埋地输气管道所输送的天然气 的露点温度比输气管道埋深处的土壤温度低 5℃左右。
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二、天然气含水量的确定方法
1.天然气含水量测定方法
CRD W / W0.6
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另 外 ， 如 果 水 中 溶 解 有 盐 类 （ NaCl 、 MgCl2 等），则溶液上面水汽的分压将下降， 这样，天然气中水汽含量也就降低。此时， 就必须引入含盐度的修正系数Cs （见图 2-3 左上角的小图）。
Cs Ws / W
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相对密度为的天然气含水量 CRD 相对密度为0.6时天然气含水量 水中含盐时天然气的含水量 Cs 水中不含盐时天然气的含水量
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1．绝对湿度或绝对含水量e
给定条件下每立方米天然气所含水汽的质 量数，称为天然气的绝对湿度或绝对含水量。
G e V
式中： e——天然气的绝对湿度，g/m3； G——天然气中的水汽含量，g； V——天然气的体积，m3。
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2．饱和湿度或饱和含水量
一定状态下天然气与液相水达到相平衡 时，天然气中的含水量称为饱和含水量。 用 es 表示在饱和状态时一立方米体积内的 水汽含量。如果 e<es ，天然气是不饱和的。 而e=es时，天然气则是饱和的。
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一、水化物形成的主要条件 1．天然气的含水量处于饱和状态
Hale Waihona Puke 天然气中的含水汽量处于饱和状态时，常有 液相水的存在，或易于产生液相水。液相水 的存在是产生水合物的必要条件。
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2．压力和温度
天然气水合物
天然气水合物引言天然气水合物（Methane Hydrates），简称NGHs，在过去几十年中备受关注。
天然气水合物是一种特殊的化学物质，它是天然气和水形成的结晶化合物。
它的结构中包含了天然气分子（主要是甲烷）和水分子，形成了固体晶体结构。
天然气水合物存在于寒冷的深海底部和极地地区的沉积物中，被认为是一种巨大的未开发能源资源。
这篇文章将会介绍天然气水合物的形成过程、分布情况、潜在的能源潜力以及对环境和气候的影响。
形成过程天然气水合物的形成需要同时具备压力和温度条件。
在大部分的天然气水合物形成地点，地下水的渗透会将水带到脆弱的沉积物层中。
当水和天然气接触时，由于寒冷的温度和高压力，水和天然气中的甲烷分子会结合成为水合物晶体。
这种过程被称为水合物形成。
天然气水合物形成的主要条件是温度低于零下6摄氏度且压力超过200个大气压。
分布情况天然气水合物广泛分布于全球寒冷的海洋和极地地区。
它们主要存在于深海海底的沉积物中，以及北极地区的冻土和冰川中。
据估计，全球的天然气水合物资源量巨大，可能比现有的天然气储量还要多。
然而，由于水合物存在的极端环境条件和技术挑战，目前还没有进行大规模开采。
潜在的能源潜力天然气水合物被认为是未来能源的候选者之一，因为它们拥有巨大的能源潜力。
根据估计，全球的天然气水合物储量可能远远超过传统天然气储量。
特别是在亚洲地区，天然气水合物被视为减少对进口石油和天然气依赖的一种替代能源。
然而，天然气水合物的开采和利用面临着技术挑战和环境风险。
技术挑战天然气水合物的开采和利用面临着许多技术挑战。
首先，水合物形成的地点通常位于深海或极地等极端环境中，需要克服高压、低温和深水等条件。
其次，水合物本身的物理性质使得开采过程更加困难，因为水合物在外部环境下会分解成天然气和水，导致压力下降和结构不稳定。
此外，无论是开采还是运输天然气水合物，都需要解决海底管道技术和安全问题。
环境风险天然气水合物开采和利用会对环境产生一定的影响和风险。
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浅谈天然气水合物
天然气水合物是以CH4 为主，含少量CO2，H2S的气态烃类物质充填或被束缚在笼状水分子结构中形成的冰晶化合物，俗称“可燃冰”。
一．天然气水合物的存在类型及成因分析
R D Malone 等对天然气水合物进行了多年的研究，指出天然气水合物存在有4 种类型第一种是良好分散水合物，均匀分布在岩石的孔隙或裂隙中；第二种是结核状水合物，其直径为5cm 水合物气体为从深处迁移的热成因气体；第三种是层状水合物，分散于沉积物的各薄层中，主要分布在近海区域和永久冰冻土中；第四种是块状水合物厚度为3-4CM，水合物的含量为95%沉积物含量为5%主要形成于断裂带等有较大的储存空间的环境中。
（图一）
图一天然气水合物的存在类型
根据形成环境的温度和压力条件，将天然气水合物的成因机
制分为以低温条件为主控因素的低温成因型和以高压条件为主控因素的高压成因型。
（图二）
低温成因型：形成天然气水合物时温度起主要控制作用，形成的条件是温度低而相对压力较小，如青藏高原冻土带浅部的天然气水合物和100-250m以下极地陆架海的天然气水合物。
高压成因型：随埋深增大，压力增高而温度也因地温梯度相应增高，高压力对形成天然气水合物的形成起主导因素如水深为300-4000m 的海洋天然气水合物基本上是在高压条件下形成的掌握了天然气水合物的形成条件，对开发利用时是采用热激发法还是降压法，化学剂法具有一定指导意义。
根据天然气的来源将天然气水合物成因机制分为原生气源型和再生气源型：
原生气源型是指已存在的天然气田m 煤层气田深处迁移的热成因气体等因温度或裂隙压力或天然气浓度的变化而转变为天然气水合物, 在此过程中无外来物质的加入m 天然气水合物可与常规的天然气(油田) 煤层气(煤田) 相伴而生。
再生气源型是指特定的环境条件下, 海洋里大量的生物和微生物死亡后留下的遗体不断沉积到海底, 很快分解成有机气体甲烷, 这些有机气体, 在压力的作用下便充填到海底结构疏松的沉积岩孔隙中, 在低温和压力的作用下形成天然气水合物。
图二天然气水合物的存在条件
二．天然气水合物的全球分布特征
天然气水合物发育的场所主要分布在北半球,其中海洋天然气水合物占绝对优势, 以太平洋边缘海域最多,其次是大西洋西海岸。
例如,西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、冲绳海槽、日本海、南开海槽、苏拉威西海、澳大利亚西北海域及新西兰北岛外海,东太平洋海域的中美海槽、加利福尼亚-俄勒冈滨北海岸及秘鲁海槽,大西洋西部海域的布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海及南美东海岸外陆缘海,以及非洲西海岸海域、印度洋的阿曼海湾、北极的巴伦支海和波弗特海、南极的罗斯海和威德尔海、内陆的黑海和里海等。
从构造环境
来看, 天然气水合物主要分布在大陆边缘:一类分布在被动大陆边缘
的大陆斜坡和坡脚; 另一类分布在主动大陆边缘的增生楔发育区。
在陆地多年冻土区( 包括高原和极地多年冻土区) 和深海或深湖沉积物中也发现了天然气水合物。
本文共收集整理了全球直接或间接发现的天然气水合物矿藏共167 处的资料, 其中包括2007 年我国首次在南海北部神狐海域钻探获取的天然气水合物实样资料。
由于目前开展天然气水合物调查的区域还没有涉足洋盆, 因此, 对于深海洋盆中天然气水合物的分布情况还知之甚少。
三．天然气水合物的成藏控制因素
天然气水合物的成藏需具备五个基本条件:
1.原始物质基础———天然气和地层水的足够富集。
2.足够低的温度。
3.较高的压力。
4.一定的孔隙空间。
5.合适的圈闭条件。
在自然界中, 水合物常常作为其下游离气体的盖层, 二者共同成藏。
天然气水合物形成后, 必须有适合它保存的地方。
如果在地史过程中, 天然气水合物所处的环境发生了较大的改变, 原来形成的天然气水合物有可能遭到破坏。
影响天然气水合物分布的主要控制因素如下:
（1）构造运动与地热史
构造运动对天然气水合物的影响是综合的, 主要体现在以下四个方面。
第一, 由于地壳发生沉降, 使天然气水合物的埋深增加, 导致天然气水合物所处地层的温度升高, 引起天然气水合物溶解, 使其遭受破坏。
第二, 如果地壳上升幅度过大, 地层遭受剥蚀, 上覆压力减小, 引起天然气水合物溶解, 使其遭受破坏。
第三, 地壳运动可能形成断层, 如果断层断穿了天然气水合物带, 游离气向上溢散, 导致地层压力降低, 引起天然气水合物溶解, 使其遭受破坏。
第四, 强烈的构造运动常伴随岩浆活动, 大量的岩浆上涌, 使地温升高,引起天然气水合物溶解, 使其遭受破坏。
一般说来, 地热与构造运动关系较密切, 构造活动早—中期, 地温梯度高, 末期地温梯度低。
同时, 地热与地壳的厚度有关, 一般地壳厚度越大, 地温梯度越低; 地壳厚度越小, 地温梯度越高。
地温梯度越低,越有利于天然气水合物的形成与保存。
（2）全球海平面升降变化
海平面升降直接引起海底静水压力的变化, 且不同水深的海底温度亦有差异。
如果下降幅度较小, 下降后海底静水压力仍大于天然气水合物稳定压力, 则对天然气水合物稳定无影响; 若下降幅度较大, 下降后海底静水压力小于天然气水合物稳定压力, 则引起天然气水合物分解。
WilliamP. Dillon 等人研究, 海平面降低120 m, 将使天然气水合物的底部抬升约20 m,其结果会使天然气水合物溶解, 引起海底滑塌。
（3）全球气温变化
在极地、高纬度及中低纬度地区, 冰期与间冰期对天然气水合物的影响较大。
中低纬度地区, 冰期带来的效应是海平面下降的同时海底温度降低, 而间冰期带来的效应是海平面上升的同时水温升高。
天然气水合物的存在与否主要取决于海平面升降的幅度。
如果冰期海平面迅速大幅度下降, 大陆斜坡地带的天然气水合物很快会因上覆水压的突然降低而分解。
在极地和高纬地区, 冰期能产生三个方面的影响:①冰层加厚可以增大冰体下伏沉积物的静压力,增加天然气水合物的稳定性。
②冰体下的温度大约0~2℃,降低了沉积物的温度, 增加了天然气水合物稳定性。
③冰的渗透性相当低, 将沉积物中逸出的气体捕获在冰体之下, 使得更多的烃类气体富集,有利于天然气水合物的形成。
（4）底辟和块体运动
底辟构造对天然气水合物的形成和保存起到的作用是双重性的。
一方面, 底辟构造可能成为气体向上运移的通道, 有利于气体疏导。
同时, 底辟构造可形成局部高压, 有利于天然气水合物的形成; 另一方面, 底辟构造可以引起地热异常和化学异常, 因而可以造成在底辟构造周围, 天然气水合物数量减少和天然气水合物胶结层减薄。
块体运动对天然气水合物的影响可能主要是引起天然气水合物胶结层的结构和天然气水合物的丰度。
由于块体运动导致了沉积物压力降低, 在天然气水合物的底部的压力相应降低, 临近其相界的天然气水合物发生分解; 另一方面, 由于天然气水合物的分解引起岩石结构强度变低,
使岩层滑塌, 其结果是促进天然气水合物的进一步分解。