页岩气勘探中的空间关系型数据库设计

李 斌，向军文，李明建，罗 群，胡博文，晋长昊

(1.神华地质勘查有限责任公司，北京 100011；2.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249)

地质资料信息化是基于海量地质资料积累后形成数字化服务产品的科学管理模式，是信息社会的重要组成部分，是实现信息化环境下的高效社会服务和知识创新体系建设的一项具体任务，具有重要的社会现实意义[1]。地质资料是地质工作者用劳动和智慧积淀的宝贵社会财富，是社会再生产的重要基础，也是国家经济建设的参考依据。地质资料社会化服务是地质工作成果再生价值的延续，国土资源规划、工程建设、土地开发利用以及地质调查、矿产勘查、矿产资源开发等有关国家重大战略规划对地质资料的重复性开发利用具有广泛的社会需求和广阔的市场前景[2-3]。

实现地质勘查全过程信息化也是地质工作信息化战略任务的重要目标之一，是改变地质工作传统方式、提高现代化管理水平的关键。

美国地质调查局从20世纪60年代开始兴建各种类型的地质数据库，保证实时、有效、连续地为网络系统内的注册用户提供可靠的科学信息服务；加拿大地质调查局在20世纪80年代就建成了地学数据知识库，用户可通过专业网站免费下载地球物理及地球化学测试数据、基础地质、矿产地质和海洋地质等地质资料和图件[4]；中国地质调查局从1995年开始进行区域地质调查信息库的建设，目前已建成全国1∶5 000 000、1∶2 500 000、1∶500 000和 1∶200 000地质图空间数据库，中国资源卫星资料数据库，全国 1∶6 000 000水文地质图空间数据库，全国岩石地层单位数据库，全国同位素地质测年数据库和全国区域地球化学数据库等数百种地质数据库[4-6]，良好地实现了区域地质数据的实时发布、动态更新，为用户提供数据检索与查询服务，并提供地质图件的地理空间查询、浏览服务，同时提供相关地质背景知识的服务。

石油行业是较早开展信息化建设的行业。早在1998年美国前副总统戈尔提出了数字地球的概念，引起了全球范围内的震动，数字地球从此成为世界科学技术界的发展热点之一，石油行业率先推进。1999年，大庆油田提出“数字油田”的概念，国内外石油行业开启了石油行业信息化建设[7]。目前，发达国家的石油公司在无线遥感、现场实时传输、随钻录井及随钻测井等领域的信息化建设取得突破性进展，对提高油田工作效率、降低油气生产成本等起重要作用。我国三大石油行业从2000年开始进行信息化建设，在油气勘探、开发、生产等各个业务环节和领域中都广泛使用各类信息系统，目前已经建成了石油、地质综合资料数据库，在信息系统、基础设施、管理体系等方面取得重大进展，建成了以ERP(企业资源计划)为核心的多个全局性系统，实现了主要业务的覆盖，为生产运行、经营管理提供了较好的支持[8]。但在油气地质勘探生产中，信息化管理手段仍然滞后，未能实时提供异地协同式共享工作数据服务。

我国的页岩气勘探工作处于起步阶段[9-10]，其信息化建设远远落后于传统的石油行业及地质调查行业。重庆涪陵地区的页岩气发现，开辟了中国页岩气商业化开发先河，增强了页岩气勘探的信心，目前在多个地区建成了商业开采示范区。从2015年开始中石化投入资金进行页岩气田信息系统的建设，现已投入使用，但其主要针对常规的数字资料收集与管理，还远未能达到协同式远程工作的程度。

神华地质勘查有限责任公司从2013年开始在湖南保靖地区开展页岩气及在山西保德地区开展煤层气的勘探工作。在页岩气勘探实践中发现，实时共享地质数据，科学地管理、应用地质数据，才能实现地质科研管理部门对井场地面及井下地质信息的全方位监控，从而掌握钻井施工作业中的实况和地质相关信息，监测井下工程异常和地质变化，及时做出施工调整，减少复杂工程事故的发生，确保实现地质设计的目的，并提高施工作业安全性和勘探开发成功率。当前，数据的共享以QQ传输为主，该种方法一方面网络的安全性不高，另一方面文件组织管理混乱，导致文件的收集、整理传输工作量较大，重复性劳动较多，效率低下。

建立页岩气勘探空间数据库管理平台，实时进行地质数据采集、传输、处理和共享成为当前油气地质、矿产地质勘探的热点。页岩气勘探数据也是一种可以通过空间位置进行有序组织管理、查询、分析的地质数据，其中包括了海量相互关联的属性数据，若能通过空间关系型数据库进行科学管理、使用，是一种管理方法的创新，使生产管理技术思路从常规的粗放型向科学化、信息化节约型转变，必将从根本上提高管理效率，可以在行业内广泛推广使用。

1 数据库语言环境及实现思路

1.1 软件选择及实现思路

本次页岩气空间关系型数据库的设计使用ArcGis Server和Sql Server数据库管理系统，语言选择ASP.NET和JavaScript。

ArcGis Server是ESRI新出台的功能强大的基于服务器的产品，用于构建集中管理的、支持多用户的、具备高级功能的企业级应用与服务，如空间数据管理、三维地图可视化、数据编辑、空间分析等。该平台可实现基于WEB方式的分布式环境下的地理数据管理、应用服务，和常用的数据库管理系统可以无缝对接，如Sql Server、Access等；也可支持流行的计算机网络语言进行二次开发，如C#，ASP.NET、Java等。页岩气勘探中空间数据库的设计中，具有空间特征的数据库设计使用地理信息系统服务器管理软件ArcGis Server，对钻井位置、地质构造、地层分布、地层产状、沉积相特征、地化指标、三维地震工区、地理数据等均采用点、线、面等空间坐标和属性特征建立数据库，以井位代码或区域代码设定数据库关键字段，以关键字段建立数据存储索引。

SQL Server是Microsoft 公司推出的关系型数据库管理系统。该平台具有使用方便、可伸缩性好与相关软件集成程度高等优点，得到广泛使用。SQL Server 是一个全面的数据库平台，使用集成的商业智能工具提供了企业级的数据管理。平台的数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，可以构建和管理用于业务的高可用和高性能的数据应用程序。和空间特征相关的页岩气勘探属性数据，数据库设计使用Sql Server数据库服务器管理软件，对设计报告、录井数据、测井数据、地震解释数据、地化分析数据、钻井跟踪文件、野外调查照片、地质图件等建立关系型属性数据库，以井位编码或区域编码为关键字段，建立索引，使用共同的关键字段与空间数据库建立连接。系统专业管理用户客户端也安装Sql Server，多用户协同式工作。属性数据库访问采用B-S结构，多个终端通过浏览器访问，数据库与网页之间的数据交换通过使用ASP.NET服务器端脚本技术和JavaScript客户端脚本技术编程实现(图1)。

图1 页岩气勘探空间数据库实现思路Fig.1 The realization idea of the space database for shale gas exploration

1.2 数据访问方式

通过网络应用环境Internet或Intranet实现页岩气勘探数据库的数据共享。系统授权普通用户可以在客户端通过Web浏览器按照空间位置对页岩气勘探数据库进行空间数据查询、下载、空间分析等；系统维护用户可以有针对性地进行数据增加、删除、修改、更新、上传、备份等，并给予高级用户消息及文件推送；高级用户可以享受最新数据及分析结果，并接受邮箱或微信推送功能，通过微信或QQ在第一时间得到接收信息的通知，及时进行阶段性分析；系统专业管理用户可以进入数据库服务器，对数据进行统计、查重、批量修改、按条件海量数据计算，进行协同式数据访问与交流，自动绘制统计图表和地质图件，分享工作成果(图2)。

图2 页岩气勘探空间数据库需求分析Fig.2 Demand analysis of space database for shale gas exploration

1.3 协同式数据共享方式

在页岩气勘探地质数据管理应用中发现，现有的单机、单用户存储，简单复制、拷贝方式是一种陈旧的简单化常规管理模式，在规模化集约型生产中已显滞后。使用空间数据库管理具有空间特征的数据库，如地质图件中的点、线、面，均可以通过浏览器访问方式共享，并通过空间数据的浏览，进一步访问、查询其他属性数据——在页岩气勘探中大量数据的不具备特征的属性基础数据，如分析化验资料。这些属性数据可通过数据库管理系统科学管理，并按照用户权限进行网络化协同式共享，实现高效数据访问、交流，从根本上提高数据共享、应用效率，提高数据的安全性和可靠性。

2 空间关系型数据库设计实例

以湖南保靖地区页岩气勘探地质数据的管理为例，详细介绍空间关系型数据库的实现过程和主要技术环节。

2.1 地质数据的分类与标准化

在页岩气勘探中，地质数据种类繁多，科学数据库管理必须标准化地质数据，建立统一的数据格式。从文件格式上看，页岩气勘探生产常用的数据格式大致可以区分出有文本文件、电子表格文件、图形文件、数据体文件等。在数据库设计前，确定数据的标准格式：文本数据以*.doc或*.docx格式，图件以*cdr或*.jpg格式，电子表格文件以*.xlsx或*.xls格式，地震数据体则以*.Sgy格式。

2.2 文件的存储方式设计

页岩气勘探的地质文件以服务器目录树形结构方式存储，在属性数据库中存储其分类、索引、关键字段、文件特征描述及其链接目标。具有量化特征的地质属性数据，如录井分层数据、测井分层数据、野外地质剖面分层数据等以数据表的方式存储于服务器数据库管理器中。具有空间属性的地质数据，则以*.Shp文件格式存储于空间数据服务器中。

2.3 文件查询方式设计

文件查询方式，以Web浏览器方式与服务器间数据进行访问，既支持按空间位置查询，实现空间数据分析，也支持属性数据字段网络化查询、关键字段查询以及内容模糊查询，实现地质数据的全方位无死角查询。

2.4 用户功能设计

按照系统运行特征，系统内的注册用户可以区分出普通用户、系统维护用户、系统专业管理用户、高级用户4种类型。普通用户只有阅读、查询、下载地质数据的功能；系统维护用户具有客户端文件阅读、查询、整理、收集、上传、删除、修改、分发、通知的功能，且具有审批用户申请，设置用户权限、记录及跟踪用户作业的功能；系统专业管理用户除具有普通用户的权限外，还具有登录数据库服务器的功能，可在服务器端进行系统维护，管理、更新、查询、分析、统计、计算、分享属性数据库内的数据，也可登录服务器端进行空间数据的维护及操作；高级用户除具有普通用户的功能外，还享受信息推送服务功能。

2.5 空间数据设计

空间数据均以平面图件的方式存储于文件中，按照图件的形态，可以划分出点、线、面3种类型，每种类型均以单独的形式在地理图上显示其所有空间图形，自动形成了一个独立的数据表，数据表中有位置编号(如区域编号或井位编号)、坐标位置、图形名称、图形类别、图形备注等，在数据表中设定区域编号为关键字段，设为主键，建立索引，与属性数据库中的外键关联(图3)，以备空间分析。

图3 空间数据库与属性数据库的关联Fig.3 Links between spatial databases and attribute databases

2.6 关系型属性数据设计

属性数据库是地质资料数据信息的核心内容，是对地质数据的有序化标识，用户通过关键字段或其描述内容进行查询[11-12]，以Web方式显示具有树形结构的文件名称，为注册用户提供极佳的科学查询方式。属性数据库由多个关系型属性数据表组成，各属性表中建立了具有空间性质和属性性质的关键字段，如数据总表中记录了地质文件的地区编号、井位编号、位置名称、文件编号、文件位置、文件描述等(表1)。其中唯一的关键字段为文件编号，为这个表的主键，而井位编号、地区编号均为外键，与空间数据表中的关键字段建立关联，用户可以通过空间位置查询属性数据文件，也可根据属性值查询数据文件，通过文件名称链接数据文件，客户端可以直接下载。

表1 地质资料属性数据Table 1 Geological data attribute data

数据的组织管理中，除了大量的文件数据，还有一类可量化分析、处理的地质数据，如录井数据、测井数据、野外地质剖面分层数据、岩心照片等，均以数据表的方式组织管理，各数据表间通过主键和外键建立连接关系。如在地层编录表中钻孔编号作为外部关键字与空间表中的主关键字段钻孔编号建立关联，可以进行空间访问；而编录号则可以作为该表中的主键进行索引，表中的其他外部关键字段如岩性编号、颜色编号、结构编号、构造编号可与其他数据表中的主要关键字段建立关联，形成关系型数据库，进行数据连接、关联访问(图4)。

2.7 数据分析设计

为统一数据管理与应用，数据库服务器为每个系统的专业管理用户分配了特定的权限，可对属性数据进行增、删、改操作，并对数据的逻辑性及数据的专业特征进行深入分析，如数据的复杂查询、数据查重、批量修改和海量计算，均可通过查询分析器的平台使用SQL语句进行科学快速访问，并应用数据制作各种分析图件。也可在服务器端访问数据文件，对文件的合理性、可靠性、目的性进行研究，并对文件进行修改及备注，为深入研究提供可靠的依据。

2.8 自动成图设计

数据图表以直观、形象的形式显示数据库内的地质数据[4-9]。在页岩气勘探中最常用的图件是平面图、剖面图以及柱状图。系统设计时，空间数据库和属性数据库中已经存储了相关的地质量化数据和空间位置数据，并能网络共享。根据需求编写或应用客户端绘图平台，如平面图绘制系统、综合柱状图绘制系统等，直接根据用户需求，选择性导入数据，即可按需求形成图件，将大大提高成图效率和灵活性。

3 结论

使用空间关系型数据库技术实现了页岩气勘探中地质资料的集中科学管理，在互联网多个客户端实现了远程分布式协同共享工作模式，简化了文件收集、查询、传输、更新的复杂工作途径，提高了地质资料的应用效率，培养了团队协作精神。且由于空间数据与属性数据关联性，可通过Web浏览器空间方式查询地质数据，并能灵活自动成图，是一种创新性的数据管理方式，革新了数据查询的方式。随着勘探区地质资料的增多，将发挥其地质资料管理效率的优势。此外，在定量化数据管理中，可实时分步式进行数据保存、复杂查询、批量修改和海量计算，提高了工作效率，减少了人力物力投入，节约了时间。

图4 页岩气勘探数据库关系Fig.4 Relational of database for shale gas exploration

空间关系型数据库技术用于页岩气勘探地质数据管理，是一种技术方法的创新，地学界可以广泛推广，为今后地学工作的深入研究奠定了基础。