合成天然气水合物实验研究
天然气水合物的提取和利用技术研究
天然气水合物的提取和利用技术研究第一章概述天然气水合物（NGHs）是一种深海沉积物，是天然气分子和水结晶形成的复合物。
它是一种新型的汇集能源，含天然气的量很大，如果能够高效开采和利用，可以成为世界能源结构中不可或缺的一部分。
然而，由于NGHs的存在为深海采矿提供了极大的技术难度和高昂的成本，因此现阶段的NGHs研究大多数集中在其提取和利用技术的探索上。
第二章 NGHs提取技术研究2.1 密闭式开采技术密闭式开采技术系指在海底将NGHs裹入一定直径的交错提取管道中，使用泵将钻井液（或原生水）通过提取管道的间隙进入NGHs发现区域，从而将NGHs推上交错管道。
这种技术相对于传统的盘管提取技术更加高效、可靠，因而受到越来越多的关注。
2.2 静压式开采技术静压技术是利用一个持续以恒定压力向海底NGHs发现区域供压的装置进行开采，过程中用水或空气将NGHs冲刷到管顶，保证气体和水不分离，避免结构损害，使得NGHs得以高效提取。
这种技术可行性高，可适用于各种NGHs沉积情况和组织形态，因此备受关注。
2.3 盘管提取技术盘管提取技术是指将一系列钢制盘管下潜至海底NGHs层埋藏区通过旋转盘管进行泵送等方式将NGHs推上盘管，最终通过提取管道将NGHs送上地面。
虽然该技术的开采效率较低，但是其成本相对较低，配合钻井技术可以减少生产成本和风险，因此一直以来都是研究的热点方向之一。
第三章 NGHs利用技术研究3.1 燃气发电NGHs是一种清洁的燃料，它燃烧产生的CO2带来的环境污染相对较低。
因此，使用NGHs发电是一种较为可靠且环保的方式，这种方式在欧美已经不是新鲜事物。
近年来，中国也在推进这种技术的应用范围和开采总量以减少对煤炭、石油和天然气等能源的依赖性。
3.2 工业加氢NGHs除了可以燃烧之外，利用其轻碳链结构和高热值也可进行加氢处理，得到丰富的烃类化学品，如乙烯、丙烯和芳香烃等。
利用NGHs进行的工业加氢目前正在快速发展，未来将成为石油化学工业的重要组成部分。
天然气水合物相平衡的实验研究
天然气水合物相平衡的实验研究
近年来，由于自然天然气的瓶颈，水合物的研究愈来愈受到重视。
天然气水合物相平衡(Gas Hydrate Phase Equilibria, GHPE)是多个研究和应用领域的重要研究领域之一，其研究不仅可以促进天然气储备，而且还可以在开采过程中为海洋环境带来环境问题。
针对GHPE实验研究进行全面性研究，有助于改善GHPE理论，并且可以为理论和应用提供重要的参考，以期更优化的利用天然气和降低海洋环境的影响。
GHPE实验研究主要分为描述性研究和动力学研究。
描述性实验的目的是了解天然气水合物（GH）系统的稳定性以及其形成和溶解条件。
动力学意义上的研究针对表征GH系统过程中GH形成和溶解速率等动力学过程，研究了影响GH形成和溶解速率和条件机制。
由于GHPE实验研究是对天然气与水结合构成的固体难以仿真，因此在实验中使用各种仪器仪表和设备，如温度和压力控制装置、常规和毛细管大孔隙半定容量反应器、包装瓶、高分辨率热重分析仪、宽温度范围的X射线衍射仪、声学、电化学、磁场和色谱等，来识别、表征GH的物理特性，充分发挥这些仪器和装置的功能作用。
通过反复测试，研究人员得出GH系统其中每个组分的计算方法以及其体系各组件之间的交互作用。
GHPE实验研究和分析数据可以帮助我们提出来开采气源的最佳条件，以实现最大程度的利用，且最大程度的减少海洋污染的可能，也可以有效的传递我们的对GH 的理解和未来的研究方向。
因此，GHPE实验研究具有重要的理论和应用价值。
未来，将建立更精确、全面、工程可行的GHPE实验研究方法、技术，以实现GH利用的优化，并最大限度的减少GH开采过程中海洋环境的冲击。
天然气水合物成藏分析与研究
技术应用与研究2018·07114Chenmical Intermediate当代化工研究天然气水合物成藏分析与研究＊郭雨嘉（长江大学地球科学学院 湖北 430100）摘要：目前，天然气水合物的勘探开发已经引起了世界各国的高度关注。
在高压、低温条件下，水和天然气混合形成一种外观像冰的固态物质，这种物质遇火可燃，称为天然气水合物，即“可燃冰”。
本文主要介绍了天然气水合物的形成过程，成藏条件和成藏模式，其中重点介绍天然气水合物的5种成藏条件：水合稳定条件、水源条件、气源条件、气体运移条件以及储集空间条件，以期对天然气水合物勘探开发的专业人员提供一定的参考和借鉴。
关键词：天然气水合物；水源；气源；运移；成藏模式中图分类号：T 文献标识码：AAnalysis and Research on Natural Gas Hydrate AccumulationGuo Yujia(Geoscience Institute, Yangtze University, Hubei, 430100 )Abstract ：At present, the exploration and development of natural gas hydrate has attracted worldwide attention. Under the conditions of highpressure and low temperature, water and natural gas are mixed to form an ice - like solid substance, which is combustible in fire and is called natural gas hydrate, that is, "combustible ice". This paper mainly introduces the formation process of natural gas hydrate, the condition of reservoir formation and the model of reservoir formation. It focuses on the 5 conditions of natural gas reservoir formation: hydration stability conditions, water source conditions, gas source conditions, gas migration conditions and storage space conditions, in order to provide professional personnel for exploration and development of natural gas hydrate. A certain reference and reference.Key words ：natural gas hydrate ；water source ；gas source ；migration ；accumulation model引言随着经济增长引致的能源消费的进一步加剧，世界现有常规能源储量正在日益枯竭，能源消费造成的环境压力进一步凸显，特别是油气短缺给经济的发展带来了更加严峻的挑战。
天然气水合物研究进展与开发技术概述
未来发展方向
未来发展方向
随着科技的不断进步，天然气水合物的研究和开发将迎来更多的发展机遇。 未来，天然气水合物的研究将更加深入，涉及的领域将更加广泛。在开发技术方 面，将会发展更加环保、高效、低成本的技术，如微生物法、化学试剂法和纳米 技术等。同时，加强天然气水合物全产业链的研发和优化，推动其在能源、化工、 制冷、航空航天等领域的应用。
研究进展
研究进展
天然气水合物是指在一定条件下，甲烷等气体分子与水分子形成的笼形化合 物。其形成和稳定主要受温度、压力、气体成分和盐度等多种因素影响。近年来， 随着地球科学、地质工程、能源工程等领域的发展，人们对天然气水合物的研究 逐步深入。
研究进展
目前，全球范围内天然气水合物的研究主要集中在以下几个方面：（1）形成 机理与分布规律；（2）物理性质与化学性质；（3）开采技术与经济性；（4） 环境影响与安全性。尽管取得了许多重要成果，但仍存在许多挑战，如天然气水 合物的稳定性和开采过程中的环境风险等。
天然气水合物储运技术的研究现状
2、高效开采技术研究：针对天然气水合物的开采，研究者们开发出了一系列 新型的高效开采技术，如水平井技术、多分支井技术等，大大提高了开采效率。
天然气水合物储运技术的研究现状
3、储运安全技术研究：针对天然气水合物储运过程中的安全问题，研究者们 通过模拟和分析不同情况下的风险因素，提出了一系列有效的安全防技术概述
天然气水合物储运技术概述
天然气水合物，又称可燃冰，是由天然气（主要是甲烷）与水在高压、低温 条件下形成的笼形结晶化合物。由于其储存量大、燃烧清洁、开采成本低等优势， 被视为一种具有巨大潜力的能源。然而，这种化合物的非稳定性以及难以运输的 问题，一直是阻碍其开发利用的主要难题。因此，天然气水合物的储运技术成为 近年来研究的热点和难点。
天然气水合物储层温压模拟实验及数值模拟方法
天然气水合物储层温压模拟实验及数值模拟方法天然气水合物是一种在高压高温环境下形成的天然气与水混合物，是一种重要的新型能源资源。
其存在于富含甲烷的海洋沉积物中，具有丰富的储量。
为了开发和利用天然气水合物，需要深入了解和掌握其储层性质。
本文旨在介绍天然气水合物储层温压模拟实验及数值模拟方法。
天然气水合物储层温压模拟实验是通过实验室装置，模拟地下储层的温度和压力条件，研究天然气水合物的生成、分解和运移规律。
该实验通常包括温度控制、压力控制和水合物样品的制备等步骤。
首先，通过恒温槽或电炉等装置控制温度，使其达到储层温度水平。
其次，通过压力控制装置调节和维持实验室环境的压力条件，模拟地下储层的压力状态。
最后，制备天然气水合物样品，通常是通过将甲烷气体和水按一定比例充分混合后进行凝固制备。
数值模拟方法是在储层温压模拟实验的基础上，采用数学和计算机技术进行建模和模拟，以探究水合物储层的温压分布、水合物生成与分解过程以及天然气的产出行为。
数值模拟方法能够辅助实验研究，提供更全面、详细的信息，并且具有节约成本、快速响应、可重复性等优点。
在进行天然气水合物储层温压模拟实验和数值模拟方法时，需要考虑以下几个关键因素。
首先是储层温度和压力的控制。
储层温度和压力是影响天然气水合物生成和分解的重要因素。
实验中需要准确控制这两个参数，以模拟地下储层的真实环境。
在进行数值模拟时，需要获得真实可靠的温度和压力数据，以确保模拟结果的准确性。
其次是水合物样品的制备。
水合物样品的制备是实验研究的基础，对于模拟地下储层的水合物形成和分解过程具有重要意义。
制备水合物样品时，需要准确控制甲烷与水的比例和混合程度，确保样品的稳定性和可靠性。
再次是数值模拟方法的选择和应用。
数值模拟方法有很多种，如有限元法、有限差分法、网格法等。
选择合适的数值模拟方法需要考虑模拟的复杂程度、计算量的大小以及结果的准确性等因素。
在应用数值模拟方法时，需要根据实际情况合理设定模型参数和边界条件，以获得可靠的模拟结果。
天然气水合物的研究与开发
天然气水合物的研究与开发天然气水合物（Natural Gas Hydrates，简称NGHs）是一种在特定条件下形成的固态结构，由天然气分子以水分子形成的晶体结构。
在自然界中，NGHs广泛分布于陆地和海洋之中，是一种重要的新能源资源。
本文将从NGHs的形成机制、地理分布、开发前景以及研究与开发进展等方面进行详细阐述，以加深对NGHs的认识。
首先，NGHs的形成机制是指在一定的温度和压力条件下，天然气分子与水分子形成稳定的晶体结构。
NGHs的形成需要特定的压力和温度条件，一般在深海及寒冷地区的沉积物中存在较为丰富。
在这些地区，水合物可通过天然气溶解在水中并与水形成晶体而形成。
NGHs的形成条件相对较为苛刻，通常要求温度低于0°C和压力高于零度压力。
NGHs的地理分布广泛，主要存在于深海和季节性寒冷地区的沉积物中。
据估计，全球水合物资源量巨大，达到约2.8×1017立方米的天然气，相当于传统石油和天然气资源储量的数倍。
深海中的NGHs资源最为丰富，其中包括大西洋、太平洋、印度洋和北冰洋等深海区域。
此外，季节性寒冷地区，如北极和西伯利亚，也是重要的NGHs资源区。
NGHs作为一种潜在的能源资源，具有巨大的开发前景。
首先，NGHs的资源量巨大，可为全球能源消耗提供巨大的补充；其次，NGHs的燃烧产物相对于传统燃煤和石油相对清洁，减少大气污染物净排放。
此外，NGHs的开采和利用对环境影响相对较低，对全球气候变化具有积极的影响。
因此，NGHs的开发是当前能源领域的研究热点之一。
目前，关于NGHs的研究与开发已经取得了一定的进展。
在研究方面，人们对NGHs的形成机制、分布规律及资源量进行了深入研究。
通过实验室模拟和航次观测等手段，开展了大量的水合物研究。
在开发方面，人们提出了多种开发利用技术，如钻井开采、热解开采和化学开采等。
此外，还积极推动国际合作，加强技术交流与合作，在NGHs的开发与利用方面取得了一定的进展。
天然气水合物的稳定性研究
天然气水合物的稳定性研究天然气是一种富有潜力的清洁能源，它可以被用于燃气发电和供暖等众多领域。
然而，天然气的储存和运输是一个复杂的问题，特别是当我们考虑到海上储备的需要时。
在过去的几十年间，各种储气技术得到了广泛的研究和应用，但是这些技术并不能完全解决储气的问题。
因此，在这个背景下，天然气水合物（NGH）技术的诞生，为储存天然气提供了新的手段。
天然气水合物是由气体分子和水分子组成的冰样物质，是一种神奇的存在。
NGH 在某些地质条件下会被形成，并且早在 1960 年代就已被发现。
NGH 的优点非常明显，首先，存储在天然气水合物中的天然气密度非常高，可以达到 LNG 的164 倍。
其次，其稳态储存条件可以从环境压力以上几个 GPa 下降到自然温度下几个 MPa，因此在天然气储存和运输中具有广泛应用前景。
当前， NGH 技术已被运用于很多国家。
最常见的是 NGH 的开采，以及在研究中应用 NGH 的稳定性。
在这篇文章中，我们将详细探讨 NGH 的稳定性研究。
首先， NGH 的稳定性与其形成条件密切相关。
NGH 的形成需要海洋和天气等多种自然条件，不同的环境条件可能会导致 NGH 的不同物理特性。
NGH 稳定性的研究始于对这些形成条件的研究。
一般来说，NGH 的形成需要水深在 500 米以上，温度低于零摄氏度，并且存在足够的气体源。
尤其是在深海地区，由于大气压力和低温环境的存在，更有利于 NGH 的形成。
还有一些其他的因素，例如流体动力学效应和地震活动等，也有可能对 NGH 稳定性产生影响。
其次，NGH 的稳定性还与 NGH 对周围环境的影响有关。
当天然气水合物被耗散或释放时，其所释放的气体会污染周围环境，加剧温室气体的排放。
因此，了解NGH 的稳定性是减少 NGH 开采对环境的影响至关重要。
最后，目前已经建立了许多 NGH 稳定性的数学模型。
这些模型是对 NGH 稳定性研究的重要成果之一。
这些模型旨在预测 NGH 在不同环境条件下的稳定性和解离特性。
天然气水合物相平衡实验研究
Ｋ ／ ｈ、 升 温速 率 为 ０ ． ３ Ｋ ／ ｈ 、 在 较 低 温 度 时 至 少 稳 定 ０ ． ５ ｈ的段式 启 动 ， 并 开启 磁力搅 拌 系统 。
作者简介 ： 王生 平 ， 男， 硕 士生 ， 研 究方 ｒ ｕ 】 为 天 然 气 管
其 是海 上油 气 田的 开发 和油 气的 深海 管 输
道安全运行 。
１ 概 述
水 合物 是水 ห้องสมุดไป่ตู้小 分子 气 体 （ ｃ Ｈ 、 ｃ Ｈ 。 、 Ｃ Ｏ 、 Ｎ
等） 在 一定 温 度 、 压 力 条 件 下 形 成 的 一 种 非 化 学 计 量性 的笼 形 晶体 化 合 物 。 。 ， 外 观 类 似 冰 霜 。迄 今
型 水合物 。水分子 通 过氢键 结 合形 成具 有笼 形结 构 的孑 Ｌ 穴， 天然 气分 子 在 范 德华 力作 用 下 被 包 络 在 水 分子 的笼 形 孑 Ｌ 穴 中， 并 维 持 笼 子 的稳 定 性 。 。天
温箱（ 内含旋转可视 水合反 繁 、 磁力搅拌 系统 、 ｒ
摇泵） 、 温 度 压 力 测 量 采 集 系统 、 冷 光 源 、ｌ 作 平
（ １ ． 北京 市 燃气 集 团有 限责 任公 司 ，北 京 １ ０ ０ ０ ３ ５ ；２ ． 北 京 永逸舒 克 防腐蚀技 术有 限公 司 ，
北京 １ ０ ０ ０ ２ ９ ）
摘 要 ： 在 旋 转 可视 水合 反 应 釜 中采 用 定容 法 完成 不 同组 成 的 天 然 气水 合物 相 平 衡数 据 实
管道 中发 现 水合物 ， 自此 同 １ 人 】 外 ： 哲埘 管 道 Ｌ Ｉ ， 的 水
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表 1 气体水合物晶体特性 Table 1 Structure parameters of gas hydrate crystals［6］
type !
type "
type H
cage size
Iarge Iarge smaII Iarge smaII medium Iarge
cage structure
46
136
cubic grating cubic grating
34 hexahedrOn
二、天然气水合物的形成及其性质
通过对天然气水合物热力学性质的研究，得知 低温、高压是天然气水合物稳定存在的必要条件［5］。 一般认为天然气水合物在海底水下约 300—500 m 深处的压力和温度条件下是稳定的。天然气水合物 的稳定存在条件不仅受温度和压力影响，而且与其 组成有关。从结构类型看，"型和 H 型水合物比 I 型水合物更稳定。在常温、常压条件下，天然气水合 物发生分解，析出水，释放碳氢气体。1 m3 天然气 水合物在常温下可释放约 164 m3 的天然气和 0. 8 m3 的水［5］。由此可见，天然气水合物是一种高能量 密度的气体燃料储存形式。
（2）小型不锈钢反应釜 图 2 是西安交通大学［14］自行设计的实验装置，
对冰-水-气体系生成天然气水合物条件及生成动力 学进行了实验研究。天然气从高压气瓶放出，经过 减压器、缓冲罐后，进入过滤器，再经稳压阀进一步 降低压力，并把压力稳定在反应所需的固定值上，最 后进入反应器。进入反应器的气体量由智能质量流 量计测定，反应所需要的水在进气之前直接加入反 应器，制冷系统提供所需要的冷量。这套装置设计 测温范围 - 50C—10C，最大工作压力 10 Mpa。
三、天然气水合物的合成
天然气水合物在天然气的固态储存和输送［7］以 及天然气水合物作为车用燃料［8］方面有很好的应用 前景，但首先必须解决天然气水合物的人工合成问 题。世界上的许多实验室都在进行小规模的 NGH 合成研究，但作为工程技术尚未取得成功［9］。
一般认为天然气水合物的生成需要具Байду номын сангаас 3 个条
图 2 不锈钢制小型反应釜水合物实验装置 Fig. 2 ExperimentaI apparatus Of the stainIess stiII miniature retOrt fOr hydrate synthesis
第5期
代 淼等 合成天然气水合物实验研究
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CO2、H2S 等酸性气体的影响；③水合物形成的动力 学条件［13］。该装置还 可 以 观 测 水 合 物 的 形 成、堆 积、成长、固化等过程，并可摄制全过程的图像。
图 3 天然气水合物在纯水中的形成过程［15］ Fig. 3 Formation performance of naturaI gas hydrate in pure water
图 4 天然气水合物的制备工艺 Fig. 4 process of synthesizing naturaI gas hydrate
Zhou Yaping （Department of Chemistry，SchooI of Science，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
Abstract NaturaI gas hydrate（NGH），known aIso as fIammabIe ice，is a cIathrate compound formed by naturaI gas and water under conditions of Iow temperature and high pressure . Great guantity of naturaI NGH was discovered in frozen earth and beneath seawater，which is a succeeded naturaI source of cIean fueIs . However，its expIoitation is not yet on scheduIe due to technicaI difficuIty . ArtificiaI synthesis of naturaI gas hydrate is，on the other hand，an important topic of research . As many as 164 m3 naturaI gas can be reIeased from 1 m3 NGH；therefore，NGH provides a compact way of transportation or storage of naturaI gas，which wouId be a great progress in the NGV technoIogy . The fundamentaI property of NGH and the progress made in the experiments of artificiaI synthesis of NGH is presentIy introduced .
收稿：2003 年 8 月，收修改稿：2003 年 12 月 !国家自然科学基金资助项目（No. 50376047） !!通讯联系人 e-maiI：zhouIi@ pubIic. tpt. tj. cn
一、天然气水合物的组成与结构
天然气水合物是一种笼形包合物。水分子作为 主体，形成一种空间点阵结构，气体分子作为客体， 充填于点阵间的空穴中，气体和水之间没有化学计 量关系。形 成 点 阵 的 水 分 子 之 间 靠 较 强 的 氢 键 结 合，而气 体 分 子 和 水 分 子 之 间 的 作 用 力 则 为 范 德 华力。
件［10—12］（：1）气 体 中 存 在 液 态 水 或 过 饱 和 水 蒸 汽； （2）足够高的压力；（3）足够低的温度。若气体压力
有较大的波动或有晶体存在，则能促进水合物的生 成。在高于水合物形成的临界温度时，不管压力多 大也不会形成水合物。
1. 实验装置 （1）蓝宝石透明釜
比较先进的合成天然气水合物的实验装置为图 1 所示的 JEFRI 变体积高压蓝宝石全透明釜［13］，包 括搅拌系统、恒温空气浴、增压系统、温度压力测量 系统、CCD 图像检测系统以及数据采集系统，温度测
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化学进展
第 16 卷
目前已发现的水合物结构有 3 种［5］：!型、"型 和 H 型。!型水合物为立方晶体结构，由于其内空 腔的体积较小，晶穴平均直径 0.78 nm，仅能容纳像 甲烷、乙烷、氮气、二氧化碳、硫化氢等小分子。!型 水合物在自然界分布最为广泛，纯甲烷、纯乙烷的水
合物就是 I 型的。这种甲烷水合物的一般组成是 CH4·5. 75H20。"型水合物为菱形晶体结构，除可 包容 C1、C2 小分子外，其较大的空穴还可容纳丙烷 （C3）及异丁烷（i-C4）等烃类分子。H 型水合物为六 方晶体结构，它的空穴甚至可以容纳 i-C5 分子和其 它直径在 0.75—0.86 nm 之间的分子。三种水合物 的结构特征如表 1 所示。
Key words naturaI gas；hydrate；rtificiaI synthesis
天然气水合物是天然气与水在一定条件下形成 的类似冰的非化学计量的笼形固态物质，俗称“可燃 冰”。虽然气体水合物早在 1810 年就在实验室里被 发现，但直到 20 世纪 30 年代，由于天然气运输管道 的堵塞问题，才引起人们对天然气水合物研究的重 视［1］。随着在冻土带和海洋中天然气水合物发现量 的不断增大，其作为一种诱人的未来能源已经引起 各国政府、工业界和科学家的极大兴趣［2—4］。
关键词 天然气 水合物 人工合成
中图分类号：TO517；TE64 文献标识码：A 文章编号：1005-281X（2004）05-0747-04
Progress in the Synthesis of Natural Gas Hydrate
Dai Miao Zhou Li!! （High Pressure Adsorption Laboratory，SchooI of ChemicaI Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
物的生成［16］，随着对水合物研究的不断深入，发现 表面活性剂还能促进水合物的生成［18］。图 5 表明 十二烷基 磺 酸 钠（ SDS）对 水 合 物 生 成 的 促 进 作 用。 表面活性剂提高了水合物生长速度和储气密度，有 效改善了 水 合 物 的 储 气 性 能［19］。 利 用 表 面 活 性 剂 来生成水合物具有以下优点［16］：①不需搅拌同样获 得理想的生成速率，避免了搅拌所带来的一系列问 题；②生成的水合物自动沉积在反应器壁上，使生成 的水合物与反应体系中的水相自动分开，而且水合 物粒子中所含的静态水能够继续生成水合物，降低 了水合物中静态水的含量；③利用表面活性剂生成 的天然气水合物在压力为 3.89 Mpa、温度为 275.4 K 条件下，单位体积水合物含 156 1 1 体积的天然气 （标推状态），为水合物中气体理论含量的 86% 。
!" 实验结果 （1）天然气-纯水体系
纯水体系中天然气水合物生成速率缓慢，并且 储气密度低，如图 3 所示。一般通过搅拌来提高生 成速率，但 是 搅 拌 也 带 来 许 多 不 利 因 素［16］：随 着 水 合物浆状物的生成，所需能耗增加；为了维持一定的 搅拌速率，反应相中水合物与液相的质量比一般不 能超过 5% ，因此需定期将水合物分离出来，这将成 为工业化过程中的一个问题；此外，通过搅拌生成的 水合物所含的静态水的数量增加，从而增加了水合 物储存和运输的费用。
512 51262 512 51264 512 435663 51268
cage number
2
6 16 8