本发明为一种实现三维应力加载的天然气水合物实验反应釜，包括用于容置固定沉积物样品的反应釜筒体，反应釜筒体内设有方形内腔，方形内腔内设置能环向包覆沉积物样品且能弹性伸缩的环压胶套，环压胶套能向沉积物样品施加侧向应力，环压胶套内设置能插设于沉积物样品内的井网模拟结构；反应釜筒体的顶部密封滑动设置轴压活塞，轴压活塞能向沉积物样品施加轴向应力。本发明可在实验室环境中实现三维应力加载条件下沉积物中天然气水合物生成、分解、开采模拟与电阻率、温度和压力参数测试的实施，利用本发明可以综合开展三维应力状态下天然气水合物不同开采机理和开采动态，并对不同开采方法和增产机理进行比较评价。