海量鉆井地質(zhì)數(shù)據(jù)的高效統(tǒng)計(jì)與GIS應(yīng)用

孫 巖，李 斌，羅 群

（1.北京聯(lián)合大學(xué) 特殊教育學(xué)院，北京 100075；2.韓山師范學(xué)院，廣東 潮州 521041；

3.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

煤田地質(zhì)鉆孔資料是煤田勘探中最重要的基礎(chǔ)地質(zhì)資料之一，是煤田開發(fā)的依據(jù)，也是相關(guān)地質(zhì)學(xué)科研的基礎(chǔ)資料[1]。在煤田勘探結(jié)束后，編寫煤田勘探報(bào)告時(shí)，需整理鉆孔詳細(xì)地質(zhì)資料，填寫鉆井綜合成果附表；統(tǒng)計(jì)、計(jì)算勘探區(qū)各可采煤層的相關(guān)物理數(shù)據(jù)，填寫勘探區(qū)煤層賦存特征表；進(jìn)而研究勘探區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景、地層特征、構(gòu)造特征、煤巖煤質(zhì)特征、水文工程地質(zhì)特征等，并進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算[2-3]。

目前，有關(guān)鉆探單井的地質(zhì)資料一般是指鉆探現(xiàn)場巖性編錄資料，記錄了原始巖層編錄結(jié)果，是勘探區(qū)分析、總結(jié)最直接的證據(jù)。20 世紀(jì)90 年代以后，現(xiàn)場提交的地質(zhì)資料均以Excel 電子表格的方式呈現(xiàn)[4-5]。由于Excel 電子表格具有存儲(chǔ)空間小、運(yùn)行速度快、界面直觀、使用簡單、容易上手等特點(diǎn)，一直受到人們的青睞，并推廣到各個(gè)行業(yè)[6]。Excel 電子表格具有一定的數(shù)據(jù)管理能力，在處理勘探區(qū)少量探井?dāng)?shù)據(jù)時(shí)具有一定的優(yōu)勢，可靈活制作各類表格，并快速統(tǒng)計(jì)、計(jì)算地質(zhì)數(shù)據(jù)[7]；但隨著煤田勘探的快速推進(jìn)，勘探區(qū)探井?dāng)?shù)量逐年增多，有的勘探區(qū)積累了上百口甚至上千口探井，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算工作量急劇增加，Excel 電子表格則表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)繁瑣、查詢復(fù)雜、計(jì)算能力不足、管理能力滯后的缺點(diǎn)[8-9]。相對于Excel 電子表格而言，數(shù)據(jù)庫技術(shù)是計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的一個(gè)核心技術(shù)，主要特點(diǎn)為：①允許使用數(shù)據(jù)定義語言，通過語言實(shí)現(xiàn)批量查詢、更新、修改、刪除等功能，靈活方便；②支持存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，安全性能高；③實(shí)現(xiàn)多用戶訪問數(shù)

據(jù)庫，操作不沖突；④可對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中控制和管理，并通過數(shù)據(jù)模型表示各種數(shù)據(jù)的組織以及數(shù)據(jù)間的聯(lián)系[10]。 數(shù)據(jù)庫技術(shù)專門研究如何組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、如何高效地獲取和處理數(shù)據(jù)，如今已成為信息管理、辦公自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等應(yīng)用的主要軟件工具之一。若能將數(shù)據(jù)庫技術(shù)深入應(yīng)用到煤田勘探地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、分析與處理中，必將從根本上提高工作效率，具有廣闊的應(yīng)用前景[11-12]。

1 煤田勘探鉆井地質(zhì)數(shù)據(jù)需求

煤田單井勘探結(jié)束后，工程實(shí)施單位將提供鉆孔綜合成果表，均以Excel 表格工作簿形式保存，如利用一個(gè)獨(dú)立文件（工作簿）一個(gè)工作表的形式保存一口井的鉆探綜合成果，或利用一個(gè)文件中一個(gè)工作表的形式保存同一個(gè)地區(qū)的多口探井的鉆探綜合成果，或利用一個(gè)文件中多個(gè)工作表的形式保存同一個(gè)地區(qū)多口探井的鉆探綜合成果。一口鉆井的綜合成果內(nèi)容主要包括煤層層位、鉆探成果、測井成果、綜合成果以及鉆孔坐標(biāo)、孔口標(biāo)高、終孔深度、鉆探孔級(jí)和測井孔級(jí)等（圖1）。

當(dāng)一個(gè)勘探區(qū)域?qū)嵤┝硕嗫谔骄畷r(shí)，在書寫勘探報(bào)告時(shí)，需從勘探區(qū)域范圍內(nèi)分析多口探井的鉆探綜合成果，形成勘探區(qū)煤層賦存特征表（表1），以反映整個(gè)勘探區(qū)煤層總體特征與變化規(guī)律。其主要內(nèi)容包括：巖段號(hào)，煤層號(hào)，煤層厚度的兩級(jí)值、均值與均值點(diǎn)數(shù)，純煤有效厚度的兩級(jí)值、均值與均值點(diǎn)數(shù)，煤層變異系數(shù)，煤層可采指數(shù)，煤層間距的兩級(jí)值、均值與均值點(diǎn)數(shù)，煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和煤層結(jié)構(gòu)。大部分內(nèi)容來自勘探區(qū)每口勘探井地質(zhì)資料的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，工作量巨大，程序繁瑣，人工時(shí)間成本很高。

圖1 活雞兔井田HB124 鉆孔綜合成果簡表結(jié)構(gòu)

2 煤田勘探鉆井地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)，需建立科學(xué)的數(shù)據(jù)庫模型。按照表1 中單井鉆探成果表的內(nèi)容設(shè)計(jì)為3 張通過關(guān)鍵字段相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表，并通過關(guān)鍵字段建立鏈接關(guān)系。

表1 活雞兔井田煤層賦存特征統(tǒng)計(jì)表

第一張數(shù)據(jù)表為鉆孔基礎(chǔ)信息表，主要為鉆孔空間基本信息和鉆孔施工評(píng)價(jià)信息，包括鉆孔編號(hào)、鉆孔位置、橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、孔口標(biāo)高、終孔深度、鉆探孔級(jí)和測井孔級(jí)等字段。第二張數(shù)據(jù)表為鉆孔綜合成果表，是所有鉆孔的全部煤層信息。將圖1 中所列數(shù)據(jù)作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)表字段，若單列中有兩類數(shù)據(jù)，則將其設(shè)計(jì)為兩列。該數(shù)據(jù)表包括層位編號(hào)、鉆孔編號(hào)、煤層編號(hào)、鉆井缺失頂末、鉆井缺失底初、鉆井缺失總量、鉆井底板深度、鉆井厚度、鉆井重量、鉆井采心長度、鉆井采心結(jié)構(gòu)、鉆井采心重量、鉆井長度采取率、鉆井重量采取率、鉆探等級(jí)；測井底板深度、測井厚度、測井結(jié)構(gòu)、測井等級(jí)；綜合底板深度、綜合厚度、綜合結(jié)構(gòu)、綜合夾矸名稱、儲(chǔ)量底板深度、儲(chǔ)量計(jì)算底板標(biāo)高、儲(chǔ)量計(jì)算厚度、儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)量計(jì)算可靠性、頂板巖性、頂板厚度、底板巖性、底板厚度等字段。第三張數(shù)據(jù)表為煤層信息表，主要記錄研究區(qū)煤層空間分布綜合信息，包括煤層編號(hào)、煤層名稱、煤層特征、煤層范圍、空間特征、地區(qū)編號(hào)等字段。

鉆孔基礎(chǔ)信息表和鉆孔綜合成果表通過鉆孔編號(hào)字段建立1 對多的鏈接關(guān)系，而煤層信息表與鉆孔綜合成果表則通過煤層編號(hào)字段建立1 對多的鏈接關(guān)系。鉆孔基礎(chǔ)信息表與鉆孔綜合成果信息表中的共同字段為鉆孔編號(hào)，在鉆孔基礎(chǔ)信息表中設(shè)置“鉆孔編號(hào)”字段為主鍵，具有唯一性特征；而在鉆孔綜合成果表中設(shè)置“層位編號(hào)”為主鍵，是由井位號(hào)與煤層號(hào)組合而成，具有唯一性特征，設(shè)置“鉆孔編號(hào)”字段為外鍵，通過“鉆孔編號(hào)”字段的主外鍵關(guān)系，建立數(shù)據(jù)表之間的鏈接關(guān)系（圖2），從而進(jìn)行聯(lián)合、復(fù)雜查詢、分析和計(jì)算。

數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)建成后，將每個(gè)單井鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入到鉆孔綜合成果表中。具體導(dǎo)入方式為：將單孔電子表格中的數(shù)據(jù)整理成與鉆孔綜合成果表結(jié)構(gòu)相同的格式，再轉(zhuǎn)化為單個(gè)數(shù)據(jù)表，利用SQL 語句“INSERT INTO 鉆孔綜合成果表SELECT*FROM HB133”將每個(gè)單井鉆孔表（如‘HB133’）一次性導(dǎo)入到鉆孔綜合成果表中，形成一個(gè)海量數(shù)據(jù)表，存儲(chǔ)勘探區(qū)所有地層、煤層的特征信息。在數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算時(shí)，均對該表進(jìn)行操作、訪問。

圖2 煤田勘探鉆井地質(zhì)數(shù)據(jù)表關(guān)系圖

3 煤田勘探地質(zhì)數(shù)據(jù)庫功能實(shí)現(xiàn)

由于目前尚未形成固定的地層編錄工業(yè)規(guī)范，在煤田勘探過程中，同一個(gè)勘探區(qū)域包括多個(gè)施工單位，各單位編錄用語標(biāo)準(zhǔn)不一，地質(zhì)技術(shù)人員專業(yè)素質(zhì)差異較大，在地質(zhì)數(shù)據(jù)綜合分析過程中發(fā)現(xiàn)了大量錯(cuò)誤。以往工作中有關(guān)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)、統(tǒng)一，均在電子表格中進(jìn)行單一的數(shù)據(jù)修改或同類錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)替換，效率較低；而采用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理后，利用編程語言則可批量修改，大大提高了工作效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1）查找重復(fù)記錄。其SQL 語句為：

SELECT 層位編號(hào)，count(層位編號(hào)) FROM 鉆探綜合成果信息表GROUP BY 層位編號(hào) HAVING count(*)>1；

若查詢結(jié)果大于一行記錄，則刪除重復(fù)數(shù)據(jù)。

2）刪除重復(fù)記錄。首先在鉆探綜合成果信息表中增加一個(gè)自動(dòng)編號(hào)字段WELL_ID，再以字段WELL_ID值為參考，刪除重復(fù)記錄。其SQL 語句為：

a l t e r t a b l e 鉆探綜合成果信息表a d d W E L L_I D AUTOINCREMENT(1,1)；

DELETE * FROM 鉆探成果信息表 WHERE 層位編號(hào)in (select 層位編號(hào) from 鉆探成果信息表group by 層位編號(hào) having count(層位編號(hào))> 1)and WELL_ID not in(select max(WELL_ID)from 鉆探綜合成果信息表 group by 層位編號(hào) having count(層位編號(hào))>1)；

3）求平均值和極值。利用測井厚度統(tǒng)計(jì)各煤層的最大值、最小值、平均值和煤層總數(shù)，再將結(jié)果存放在煤層平均值統(tǒng)計(jì)表中。其SQL 語句為：

SELECT 煤層，min(測井厚度) AS 煤層最小值，max(測井厚度) AS 煤層最大值，avg(測井厚度) AS 煤層平均值，count(*) AS 煤層總數(shù) INTO 煤層平均值統(tǒng)計(jì)表FROM 鉆探綜合成果信息表 WHERE 測井厚度 Is Not Null And 煤層編號(hào)Is Not Null And 測井厚度<>0 GROUP BY 煤層編號(hào)；

4）計(jì)算煤層變異系數(shù)。首先在鉆探綜合成果信息表中添加煤層方差字段，再計(jì)算煤層方差。其SQL 語句為：

alter table 鉆探綜合成果信息表add 煤層方差 single default 0；

U P D AT E 鉆探綜合成果信息表S E T 煤層方差=IIf(trim( 煤層編號(hào))='1-2 上'，( 煤層有效厚度-2.89)^2，IIf(trim( 煤層編號(hào))='1-2'，( 煤層有效厚度-3.66)^2，IIf(trim( 煤層編號(hào))='2-2 上'，( 煤層有效厚度-1.49)^2，IIf(trim( 煤層編號(hào))='2-2'，( 煤層有效厚度-1.53)^2，IIf(trim( 煤層編號(hào))='3-1'，( 煤層有效厚度-1.13)^2，IIf(trim(煤層編號(hào))='5-1'，(煤層有效厚度-1.26)^2，0))))))；

根據(jù)煤層方差，計(jì)算煤層變異系數(shù)。其SQL 語句為：

SELECT 煤層編號(hào)，sqr((1/(count(*)-1))*sum(煤層方差))/avg( 煤層有效厚度)AS 變異系數(shù)INTO 變異系數(shù)表FROM 鉆探成果信息表WHERE 煤層有效厚度is not null and煤層編號(hào)is not null and 煤層方差<>0 GROUP BY 煤層編號(hào)；

5）計(jì)算煤層可采指數(shù)。首先計(jì)算可見煤層總數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果保存在可見煤層總數(shù)表中。其SQL 語句為：

SELECT 煤層煤層編號(hào)，count(*)AS 可采煤層總數(shù) INTO可見煤層總數(shù)表FROM 鉆探成果信息表WHERE 煤層有效厚度is not null and 煤層編號(hào)is not null GROUP BY 煤層編號(hào)；

然后計(jì)算不可采煤層數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果保存在不可采煤層總數(shù)表中。其SQL 語句為：

SELECT 煤層編號(hào)，count(*) AS 不可采煤層總數(shù)INTO不可采煤層總數(shù)表FROM 鉆探綜合成果信息表WHERE 煤層有效厚度is not null and 煤層編號(hào)is not null and 煤層有效厚度<=0.8 and 煤層有效厚度>0 GROUP BY 煤層編號(hào)；

最后計(jì)算可采煤層數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果保存在可采煤層總數(shù)表中。其SQL 語句為：

SELECT 煤層編號(hào)，count(*)AS 可采煤層總數(shù)INTO 可采煤層總數(shù)表FROM 鉆探綜合成果信息表WHERE 煤層有效厚度is not null and 煤層編號(hào)is not null and 煤層有效厚度>0.8 GROUP BY 煤層編號(hào)；

計(jì)算煤層可采指數(shù)時(shí)，首先在可見煤層總數(shù)表中增加“可采煤層總數(shù)”和“可采指數(shù)”字段，并將可采煤層總數(shù)表中的“可采煤層總數(shù)”數(shù)據(jù)保存到可見煤層總數(shù)表中，再計(jì)算可采指數(shù)。其SQL 語句為：

alter table 可見煤層總數(shù)表add 可采煤層總數(shù) int default 0;

alter table 可見煤層總數(shù)表add 可采指數(shù)single defaut 0;

update 可見煤層總數(shù)表a,可采煤層總數(shù)bset a.可采煤層總數(shù)=b.可采煤層總數(shù) where a.煤層=b.煤層

update 可見煤層總數(shù)表 set 可采指數(shù)=(可采煤層總數(shù)/可見煤層總數(shù))

6）計(jì)算煤層間距。由于煤層間距是指同一口探井中兩層煤之間的距離，計(jì)算時(shí)需要讀取表中的兩條記錄，在Access 中不能執(zhí)行循環(huán)命令，難以批量編程完成，需在SQL Server 查詢分析器中編程實(shí)現(xiàn)。其具體思路為：首先在鉆探綜合成果信息表中增加字段“煤層間距”，定義變量，循環(huán)取出上部煤層的綜合底深賦值給變量；再循環(huán)計(jì)算下部煤層的煤層間距。例如，在活雞兔補(bǔ)勘區(qū)有鉆孔編號(hào)為HB80-HB130 的50 口探井，每口探井有1-2上、1-2、2-2上、2-2、3-1、5-1 共6 層煤，利用以下SQL 語句可一次執(zhí)行完畢。

alter table 鉆探綜合成果信息表add 煤層間距single defaut 0;

4 煤田勘探地質(zhì)數(shù)據(jù)的GIS深入應(yīng)用

GIS 是在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)支持下，對整個(gè)或部分地球表層空間中有關(guān)地理分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。在煤田地質(zhì)勘探中，通過鉆孔揭示了鉆井含煤地層特征、煤層特征、厚度、煤質(zhì)地化特征、頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)等，需在區(qū)域上分析、對比煤層間的空間展布規(guī)律、煤系地層、頂?shù)装鍘r性特征等空間變化特點(diǎn)，還需深入進(jìn)行沉積環(huán)境演化、聚煤規(guī)律研究。為了更好地開展區(qū)域煤層相關(guān)特征的空間對比研究，需要將各種地質(zhì)信息投影到GIS 地圖上，形成空間數(shù)據(jù)庫，再進(jìn)行空間信息對比，能直觀提供相關(guān)信息，簡化工作繁雜程度，提高工作效率[13-15]。

1）煤層厚度空間展示。將鉆孔基礎(chǔ)信息表與鉆孔綜合成果表通過字段主外鍵建立鏈接，并進(jìn)行聯(lián)合查詢。例如，提取1-2上煤層厚度并投影到地圖上，顯示勘探區(qū)每個(gè)鉆孔的煤層厚度，經(jīng)過插值后，自動(dòng)繪制煤層厚度等值線圖（圖3），即可直觀展示煤層厚度的空間分布規(guī)律。

圖3 活雞兔補(bǔ)勘區(qū)1-2上煤層厚度等值線平面圖

2）煤層間距空間展示。將鉆孔基礎(chǔ)信息表與煤層間距平均值表通過鉆孔編號(hào)字段建立鏈接，并進(jìn)行聯(lián)合查詢。例如，提取1-2上煤層與1-2 煤層間距值，并投影到地圖上，顯示勘探區(qū)每個(gè)鉆孔的間距值，經(jīng)過插值后，自動(dòng)繪制煤層間距厚度等值線圖（圖4），即可直觀展示煤層間距厚度的空間分布規(guī)律。

圖4 活雞兔補(bǔ)勘區(qū)1-2上與1-2 煤層間距等值線平面圖

3）沉積微相展示。將鉆孔基礎(chǔ)信息表與鉆孔綜合成果表通過字段主外鍵建立鏈接，并進(jìn)行聯(lián)合查詢。例如，提取1-2上煤層頂板巖性并投影到地圖上，顯示勘探區(qū)每個(gè)鉆孔蓋層頂板巖性，經(jīng)過巖性特征分析、測井曲線分析和單井沉積微相分析后，再集合區(qū)域地質(zhì)背景，進(jìn)行初步沉積微相劃分，并繪制沉積微相空間展布圖（圖5），為認(rèn)識(shí)區(qū)域聚煤規(guī)律提供理論依據(jù)。

圖5 1-2上煤層頂板沉積微相空間分布圖

5 結(jié) 語

1）利用數(shù)據(jù)庫思想管理、修改、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算海量煤田勘探地質(zhì)數(shù)據(jù)，從根本上提高了工作效率，是一種技術(shù)方法的創(chuàng)新，可在煤田勘探中推廣使用。

2）應(yīng)用數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)思路，將煤田勘探地質(zhì)數(shù)據(jù)顯示在空間地理位置上，輔助技術(shù)人員進(jìn)行空間信息對比，為揭示煤層厚度、煤層間距以及頂?shù)装鍘r性、厚度等空間展布規(guī)律提供了更直觀的信息依據(jù)，是一種數(shù)據(jù)分析的可視化手段。

3）空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)在煤系地層對比、沉積環(huán)境研究、聚煤規(guī)律分析等地學(xué)科研方面具有不可替代的優(yōu)勢，可進(jìn)一步探索其應(yīng)用價(jià)值。

4）隨著研究的深入，還可應(yīng)用數(shù)據(jù)庫方法，編寫終端程序，技術(shù)人員只需錄入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)計(jì)算、分析鉆探煤層等級(jí)、測井煤層等級(jí)；綜合分析鉆孔等級(jí)、測井等級(jí)，判斷綜合鉆井工程等級(jí)等，并統(tǒng)計(jì)、計(jì)算煤層厚度、煤層間距等各種數(shù)據(jù)，自動(dòng)填寫煤層賦存特征表。計(jì)算機(jī)程序的應(yīng)用，勢必在煤田地質(zhì)勘探中簡化地質(zhì)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜流程，減輕技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使他們集中精力進(jìn)行煤田地質(zhì)深入研究。