張 雋，張家利，席斌斌，施偉軍，蔣 宏

(1.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫 214151;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)一一五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400)

儲(chǔ)層中CH4－H2O－NaCl體系包裹體廣泛存在，該體系包裹體的熱力學(xué)參數(shù)是了解油氣成藏期次、探討成藏過程的重要依據(jù)[1－5］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該體系的熱力學(xué)性質(zhì)以及PVTx狀態(tài)方程進(jìn)行了研究，基本建立了熱力學(xué)模型并編制了相應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算軟件[6－12］。但是由于上述熱力學(xué)方程涉及的參數(shù)較多、計(jì)算過程復(fù)雜，且編制的軟件難以直接利用包裹體的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)或激光拉曼分析數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，因而限制了這些熱力學(xué)計(jì)算軟件在地質(zhì)應(yīng)用中的推廣。同時(shí)，上述包裹體熱力學(xué)計(jì)算軟件開發(fā)環(huán)境及開發(fā)語言多采用面向過程的程序開發(fā)模式，面對(duì)包裹體研究不斷完善的熱力學(xué)計(jì)算模型及日益增強(qiáng)的圖形功能的需求，軟件的升級(jí)往往“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，維護(hù)及移植性較差，使得軟件體現(xiàn)包裹體研究的進(jìn)展受限。基于此，本文在Visual Studio 2010平臺(tái)上，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)模式，利用微軟的MFC類庫(kù)，在迭代法計(jì)算含CH4鹽水包裹體古壓力的算法基礎(chǔ)上[13］，開發(fā)出了CH4－H2O－NaCl體系包裹體PVTx計(jì)算模擬軟件，以期能更好、更方便地實(shí)現(xiàn)CH4－H2O－NaCl體系包裹體的熱力學(xué)計(jì)算與地質(zhì)應(yīng)用。

1 計(jì)算原理及步驟

迭代法計(jì)算包裹體的PVTx性質(zhì)，在CO2－H2ONaCl體系中得到了比較多的應(yīng)用[14－18］，但是由于CH4的臨界溫度(－82.6℃)遠(yuǎn)低于CO2的臨界溫度(31.0℃)，因此無法根據(jù)部分均一溫度和均一方式來計(jì)算部分均一時(shí)包裹體的一些熱力學(xué)參數(shù)，故無法將CO2－H2O－NaCl體系的計(jì)算方法直接移植到 CH4－H2O－NaCl體系中。為了解決上述問題，席斌斌等[13］提出了利用室溫條件下CH4的拉曼位移值與壓力的關(guān)系式[19－21］，來計(jì)算室溫條件下CH4－H2O－NaCl體系的一些熱力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而建立了迭代計(jì)算CH4－H2O－NaCl體系包裹體均一壓力、組成等PVTx參數(shù)的方法。

具體的計(jì)算步驟為:(1)根據(jù)室溫下CH4的拉曼位移值計(jì)算包裹體的內(nèi)壓;(2)利用冰點(diǎn)溫度計(jì)算包裹體的鹽度;(3)利用Duan等[8］的狀態(tài)方程分別計(jì)算室溫條件下包裹體中氣液相的摩爾體積以及液相的組成;(4)假設(shè)室溫條件下包裹體的氣液比為F;(5)計(jì)算包裹體的總組成以及總摩爾體積;(6)根據(jù)均一溫度以及步驟(5)中計(jì)算的包裹體總組成，利用Duan等[8］的方程計(jì)算再次包裹體的總摩爾體積;(7)若步驟(5)和(6)兩次計(jì)算的總摩爾體積相等或在誤差范圍之內(nèi)，則證明設(shè)定的F值即為包裹體的氣液比，反之改變F值，重復(fù)步驟(5)、(6)直到兩者相等或在誤差范圍之內(nèi);(8)利用Duan等[8］的方程計(jì)算包裹體均一壓力。

由上述論述可知，該計(jì)算方法所需要的參數(shù)包括室溫下CH4的拉曼位移、均一溫度、冰點(diǎn)溫度，上述參數(shù)均可以通過顯微測(cè)微以及激光拉曼分析直接測(cè)定。除了能得到包裹體的均一壓力外，還可以得到包裹體組成、摩爾體積、氣液比等熱力學(xué)參數(shù)。

2 開發(fā)環(huán)境及核心算法

2.1 MFC應(yīng)用程序基本框架及類庫(kù)

Visual Studio 2010是一個(gè)強(qiáng)大的軟件編程平臺(tái)，在其基礎(chǔ)之上的 MFC(Microsoft Foundation Class)是微軟公司提供的類庫(kù)，以C++類的形式封裝了Windows的API函數(shù)和控件。在程序的開發(fā)過程中，使用MFC類庫(kù)可以使應(yīng)用程序開發(fā)變得簡(jiǎn)單，同時(shí)提高了代碼的可靠性和可移植性，在不減少編程的自由和靈活性的情況下提供了更多的支持。

基于MFC類庫(kù)的應(yīng)用程序可以利用App-Wi-zard(應(yīng)用程序向?qū)?快速建立起應(yīng)用程序的基本框架，利用ClassWizard(類向?qū)?快速地在應(yīng)用程序框架上添加類(或子類)、成員變量及成員函數(shù)。在程序員編寫代碼的過程中，可以利用強(qiáng)大的MFC 類庫(kù)，完成大多數(shù)常用的功能[22－26］。

本軟件主界面程序中涉及的類主要繼承于MFC的部分基類，其中CDxCalcWnd類、CDxCurveWnd類以及CPropertiesWnd類是關(guān)鍵的3個(gè)類，它們分別定義了軟件計(jì)算面板、曲線面板以及屬性面板的顯示功能。MFC是一個(gè)龐大的類庫(kù)，目前，大約有200多個(gè)類，且其中相當(dāng)多類具不同功能。本軟件用到的只是MFC應(yīng)用程序框架的冰山一角。

2.2 迭代二分法

本軟件算法主要根據(jù)二分迭代找到符合計(jì)算精度的數(shù)值，從而求解，即:對(duì)于給定值x，從序列的中間位置開始比較，如果當(dāng)前位置值等于x，則查找成功;若x小于當(dāng)前位置值，則在數(shù)列的前半段中查找;若x大于當(dāng)前位置值，則在數(shù)列的后半段中繼續(xù)查找，直到找到并輸出為止。此算法貫穿整個(gè)軟件的關(guān)鍵數(shù)據(jù)計(jì)算始終，諸如計(jì)算摩爾體積Vr以及包裹體氣液比F。

根據(jù)室溫下包裹體中氣相摩爾體積Vm－v、室溫下包裹體中液相摩爾體積Vm－l、室溫下包裹體液相中CH4的質(zhì)量摩爾濃度mCH4以及包裹體鹽度mNaCl計(jì)算室溫下包裹體氣液比F，假設(shè)F的取值區(qū)間是[0，1］，且要求計(jì)算精度為萬分之一(以此確定迭代步長(zhǎng))，那么，計(jì)算F的算法流程如圖1執(zhí)行。下面列舉計(jì)算F的部分程序代碼:

圖1 迭代二分法算法流程Fig.1 Flow chart of iterative dichotomy algorithm

圖2 軟件功能模塊Fig.2 Functional module diagram of software

3 軟件開發(fā)

3.1 軟件的功能模塊

CH4－H2O－NaCl體系包裹體 PVTx計(jì)算模擬軟件涉及一個(gè)主界面程序Bleb interface，一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)Calculate DLL(封裝所有算法)和一個(gè)反注冊(cè)程序(清除本軟件在安裝及運(yùn)行時(shí)在系統(tǒng)注冊(cè)表里寫入的信息)。該軟件實(shí)現(xiàn)了2個(gè)主要功能:一是精確計(jì)算包裹體的均一壓力、氣液比、CH4的摩爾含量等熱力學(xué)參數(shù);二是實(shí)現(xiàn)了該體系的PVTx動(dòng)態(tài)曲線的模擬功能(圖2)。

本軟件應(yīng)用程序主界面采用常規(guī)的Windows界面，包括菜單欄、工具欄、狀態(tài)欄、操作區(qū)以及視圖區(qū)等，該功能主要利用MFC應(yīng)用程序框架向?qū)?圖3)。

動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)和代碼的一種數(shù)據(jù)文件訪問方式。它獨(dú)立于可執(zhí)行文件，在程序原有函數(shù)的參數(shù)和返回值等屬性不變的前提下，僅改變動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)或現(xiàn)有函數(shù)的功能即可完成對(duì)程序文件的修改，不需重新編譯。本軟件涉及的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)Calculate DLL，封裝了2個(gè)程序文件，主要是計(jì)算 CH4－H2O－NaCl體系包裹體的各類參數(shù)值，主界面在計(jì)算面板里的“計(jì)算”按鈕事件以及曲線面板“擬合”按鈕事件里，會(huì)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

軟件適用的范圍為:室溫T=18～30℃，均一溫度Th=0～250℃，均一壓力Ph=0～2 000 bar，鹽度mNaCl=0～6 mol/kg。

3.2 計(jì)算功能

圖3 PVTx計(jì)算模擬軟件界面Fig.3 Soft ware interface of PVTx calculating simulation

圖4 PVTx計(jì)算模擬軟件的“計(jì)算面板”界面Fig.4 Computing interface of PVTx calculating simulation software

軟件計(jì)算功能主要通過計(jì)算面板(圖4)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算面板主要實(shí)現(xiàn)從鍵盤輸入室溫T、包裹體均一溫度Th、包裹體冰點(diǎn)溫度Tice以及包裹體拉曼位移Vp的具體實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過多個(gè)熱力學(xué)方程聯(lián)立求解，計(jì)算輸出CH4－H2O－NaCl體系包裹體均一壓力Ph，同時(shí)，也可以得到計(jì)算過程中多個(gè)相關(guān)參數(shù)的值，包括:室溫下包裹體中氣相的摩爾體積Vm－v、室溫下包裹體中液相的摩爾體積 Vm－l、室溫下包裹體氣液比F、室溫下包裹體內(nèi)壓P、包裹體鹽度mNaCl、室溫下液相包裹體中CH4的質(zhì)量摩爾濃度mCH4、均一溫度下包裹體摩爾體積V總以及均一溫度下包裹體中CH4的質(zhì)量摩爾濃度mCH4。計(jì)算精度可達(dá)萬分之一。

3.3 曲線擬合功能

曲線面板主要是通過曲線控件實(shí)現(xiàn)CH4－H2ONaCl體系包裹體的P－T－mCH4數(shù)值動(dòng)態(tài)模擬功能。其中，P、T、mCH4參數(shù)之間的曲線擬合以計(jì)算面板中涉及到的熱力學(xué)方程為依據(jù)，其值都是通過相關(guān)的數(shù)學(xué)函數(shù)f(P，T)=mCH4計(jì)算得到。曲線面板的主要功能包括:

(1)通過函數(shù)f(P，T)=mCH4進(jìn)行二維曲線擬合，即:已知P、T、mCH4任意一個(gè)參數(shù)的數(shù)值，可以得到其他2個(gè)參數(shù)之間的二維光滑曲線關(guān)系圖。

(2)曲線圖可以疊加顯示，圖例可個(gè)性化定制，明確區(qū)分不同參數(shù)數(shù)據(jù)下的曲線特征，藉以探索P、T、mCH4參數(shù)間的關(guān)系。

(3)曲線可以任意放大縮小，且其中的參數(shù)值可以精確顯示到萬分之一。其工作原理是:計(jì)算機(jī)屏幕的像素是有限的，圖像的顯示就是把組成圖像的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則分割，并依次投點(diǎn)到對(duì)應(yīng)的像素中。雖然一個(gè)像素可以包含若干個(gè)數(shù)據(jù)，但只能有一個(gè)被顯示出來。假設(shè)一個(gè)屏幕像素里可以“裝”X個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶在曲線面板界面控制“精度”工具時(shí)，放大一倍，實(shí)際上就是讓一個(gè)像素所承載的數(shù)據(jù)減小，這樣，原來一個(gè)像素“裝”了10個(gè)數(shù)據(jù)，放大一倍后，一個(gè)像素只“裝”了5個(gè)數(shù)據(jù)，在屏幕上，用戶就比原來多看到5個(gè)數(shù)據(jù)，感覺上曲線(或圖像)放大了。同理，縮小曲線(或圖像)，就是讓一個(gè)像素“裝”的數(shù)據(jù)增加。

4 計(jì)算實(shí)例

為了對(duì)軟件的使用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)采自普光5井5 157.7 m、上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組的粒屑白云巖中的包裹體進(jìn)行了應(yīng)用。包裹體主要發(fā)育于溶孔充填的方解石中，以氣液兩相包裹體和富氣包裹體為主，對(duì)其中一個(gè)氣液兩相鹽水包裹體進(jìn)行了顯微測(cè)溫以及激光拉曼分析。測(cè)試表明包裹體的均一溫度為190.3℃，冰點(diǎn)溫度為－7.6℃，室溫(24℃)條件下CH4的拉曼位移為2 916.86 cm－1。將上述測(cè)試結(jié)果輸入軟件的計(jì)算面板進(jìn)行計(jì)算，得到包裹體的均一壓力為655.1 bar，包裹體中CH4的摩爾質(zhì)量濃度為0.342 mol/kg，NaCl的摩爾質(zhì)量濃度為2.16 mol/kg。利用曲線面板，可以得到該組成條件下，氣—液飽和曲線，并能夠?qū)⒂?jì)算結(jié)果直觀地表示在P－T相圖中(圖5)。

上述計(jì)算結(jié)果表明，包裹體形成于較高的溫壓條件下，包裹體捕獲于氣—水不混溶體系，該期包裹體可能代表了氣藏形成時(shí)的PVTx條件。上述結(jié)果與秦建中等[27］所提出的第三期即原油和烴源巖熱裂解生成干氣階段的特征基本一致，表明計(jì)算結(jié)果具有較高的可信性。

結(jié)果證明，微軟的MFC類庫(kù)及其應(yīng)用程序框架編制的軟件，計(jì)算快速準(zhǔn)確，界面友好，拓展性強(qiáng)，在地質(zhì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 P－T相圖Fig.5 Phase diagram between pressure and temperature

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