在适当的压力和温度条件下，“主体”水分子在氢键作用作用下形成不同大小和形状的多面体“笼”结构，“客体”分子（气体分子）通过范德华力填充在“笼”（又称“孔”）中形成不同类型的气体水合物，其分子式可用m·nh2o表示。

 

在公式中，M代表“客人”气体分子，n代表水化指数(即水分子数目)，M通常是甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、C3H8(C3H8)、丁烷(C4H10)同系物和二氧化碳(CO2)、氮(N2)、硫化氢(H2S)等(Sloan，1998年)。

 

根据水分子多面体的不同，天然气水合物可分为三种类型：Ⅰ型、Ⅱ型和h型。图1显示了天然气水合物的三种晶体结构及其组成的示意图(Sloan，2003年)。它们分别含有不同数量的水分子和气体分子。其结构参数见表1(Sun Chigao等人，2001年；Sloan，2003年)。

 

天然气水合物基本性质

 

天然气水合物是一种冰状固体，俗称“可燃冰”，主要存在于世界海洋大陆边缘和高纬度的低温高压环境中。目前，自然界中发现的大部分天然气水合物主要是甲烷，因此又称甲烷水合物，其外观类似于冰雪，点火时会燃烧。

 

就颜色而言，天然气水合物大多为白色或浅灰色。从化学结构上看，天然气水合物的组成以笼状等水分子的多面体骨架为特征，而甲烷基气体分子则包含在笼架中。不同的温度、压力条件和气体成分形成不同的多面体网格。从物理性质上看，天然气水合物的密度接近冰的密度，略低于冰的密度，介电常数和热导率均低于冰的介电常数和热导率。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。这些差异是地球物理勘探识别天然气水合物的重要标志。

 

天然气水合物是多孔的，硬度和剪切模量比冰小，致密天然气水合物的密度略低于冰的密度，热导率和阻力远低于冰的热导率和阻力。天然气水合物是一种沉积矿物。从埋藏天然气水合物的沉积层来看，这些地层主要形成于新生代，大部分为上更新世沉积层。此外，在始新世、中新世、渐新世和第四纪沉积层中也发现了天然气水合物，含天然气水合物的沉积层具有独特的构造特征。

 

根据现有资料，天然气水合物沉积构造可分为块体构造、脉状构造、透镜状准层状构造、斑岩构造和角砾岩构造。

 

天然气水合物的能量密度很高。在室温和压力下，天然气水合物分解，沉淀水并释放气体。在标准状态下，1立方米的天然气水合物可以释放约164立方米的天然气和0.8立方米的水。这种能量密度是常规天然气的2-5倍，是煤炭的10倍。可以看出，天然气水合物单位体积燃烧所释放的热量远大于煤、油和天然气，因此可以作为比石油和天然气更清洁的天然气燃料。