海量钻井地质数据的高效统计与GIS应用

2021-01-26 08:35孙岩，李斌，罗群

地理空间信息 2021年1期

孙岩，李斌，罗群

（1.北京联合大学特殊教育学院，北京 100075；2.韩山师范学院，广东潮州 521041；

3.中国石油大学（北京），北京 102249）

煤田地质钻孔资料是煤田勘探中最重要的基础地质资料之一，是煤田开发的依据，也是相关地质学科研的基础资料[1]。在煤田勘探结束后，编写煤田勘探报告时，需整理钻孔详细地质资料，填写钻井综合成果附表；统计、计算勘探区各可采煤层的相关物理数据，填写勘探区煤层赋存特征表；进而研究勘探区区域地质背景、地层特征、构造特征、煤岩煤质特征、水文工程地质特征等，并进行储量计算[2-3]。

目前，有关钻探单井的地质资料一般是指钻探现场岩性编录资料，记录了原始岩层编录结果，是勘探区分析、总结最直接的证据。20 世纪90 年代以后，现场提交的地质资料均以Excel 电子表格的方式呈现[4-5]。由于Excel 电子表格具有存储空间小、运行速度快、界面直观、使用简单、容易上手等特点，一直受到人们的青睐，并推广到各个行业[6]。Excel 电子表格具有一定的数据管理能力，在处理勘探区少量探井数据时具有一定的优势，可灵活制作各类表格，并快速统计、计算地质数据[7]；但随着煤田勘探的快速推进，勘探区探井数量逐年增多，有的勘探区积累了上百口甚至上千口探井，数据统计、计算工作量急剧增加，Excel 电子表格则表现出统计繁琐、查询复杂、计算能力不足、管理能力滞后的缺点[8-9]。相对于Excel 电子表格而言，数据库技术是计算机信息系统的一个核心技术，主要特点为：①允许使用数据定义语言，通过语言实现批量查询、更新、修改、删除等功能，灵活方便；②支持存储大量数据，安全性能高；③实现多用户访问数

据库，操作不冲突；④可对数据进行集中控制和管理，并通过数据模型表示各种数据的组织以及数据间的联系[10]。数据库技术专门研究如何组织和存储数据、如何高效地获取和处理数据，如今已成为信息管理、办公自动化、计算机辅助设计等应用的主要软件工具之一。若能将数据库技术深入应用到煤田勘探地质数据管理、分析与处理中，必将从根本上提高工作效率，具有广阔的应用前景[11-12]。

1 煤田勘探钻井地质数据需求

煤田单井勘探结束后，工程实施单位将提供钻孔综合成果表，均以Excel 表格工作簿形式保存，如利用一个独立文件（工作簿）一个工作表的形式保存一口井的钻探综合成果，或利用一个文件中一个工作表的形式保存同一个地区的多口探井的钻探综合成果，或利用一个文件中多个工作表的形式保存同一个地区多口探井的钻探综合成果。一口钻井的综合成果内容主要包括煤层层位、钻探成果、测井成果、综合成果以及钻孔坐标、孔口标高、终孔深度、钻探孔级和测井孔级等（图1）。

当一个勘探区域实施了多口探井时，在书写勘探报告时，需从勘探区域范围内分析多口探井的钻探综合成果，形成勘探区煤层赋存特征表（表1），以反映整个勘探区煤层总体特征与变化规律。其主要内容包括：岩段号，煤层号，煤层厚度的两级值、均值与均值点数，纯煤有效厚度的两级值、均值与均值点数，煤层变异系数，煤层可采指数，煤层间距的两级值、均值与均值点数，煤层稳定性评价和煤层结构。大部分内容来自勘探区每口勘探井地质资料的统计和计算，工作量巨大，程序繁琐，人工时间成本很高。

图1 活鸡兔井田HB124 钻孔综合成果简表结构

2 煤田勘探钻井地质数据库建立

为了实现数据库管理钻孔地质数据，需建立科学的数据库模型。按照表1 中单井钻探成果表的内容设计为3 张通过关键字段相关联的数据表，并通过关键字段建立链接关系。

表1 活鸡兔井田煤层赋存特征统计表

第一张数据表为钻孔基础信息表，主要为钻孔空间基本信息和钻孔施工评价信息，包括钻孔编号、钻孔位置、横坐标、纵坐标、孔口标高、终孔深度、钻探孔级和测井孔级等字段。第二张数据表为钻孔综合成果表，是所有钻孔的全部煤层信息。将图1 中所列数据作为一个独立的数据表字段，若单列中有两类数据，则将其设计为两列。该数据表包括层位编号、钻孔编号、煤层编号、钻井缺失顶末、钻井缺失底初、钻井缺失总量、钻井底板深度、钻井厚度、钻井重量、钻井采心长度、钻井采心结构、钻井采心重量、钻井长度采取率、钻井重量采取率、钻探等级；测井底板深度、测井厚度、测井结构、测井等级；综合底板深度、综合厚度、综合结构、综合夹矸名称、储量底板深度、储量计算底板标高、储量计算厚度、储量计算结构、储量计算可靠性、顶板岩性、顶板厚度、底板岩性、底板厚度等字段。第三张数据表为煤层信息表，主要记录研究区煤层空间分布综合信息，包括煤层编号、煤层名称、煤层特征、煤层范围、空间特征、地区编号等字段。

钻孔基础信息表和钻孔综合成果表通过钻孔编号字段建立1 对多的链接关系，而煤层信息表与钻孔综合成果表则通过煤层编号字段建立1 对多的链接关系。钻孔基础信息表与钻孔综合成果信息表中的共同字段为钻孔编号，在钻孔基础信息表中设置“钻孔编号”字段为主键，具有唯一性特征；而在钻孔综合成果表中设置“层位编号”为主键，是由井位号与煤层号组合而成，具有唯一性特征，设置“钻孔编号”字段为外键，通过“钻孔编号”字段的主外键关系，建立数据表之间的链接关系（图2），从而进行联合、复杂查询、分析和计算。

数据表结构建成后，将每个单井钻孔数据导入到钻孔综合成果表中。具体导入方式为：将单孔电子表格中的数据整理成与钻孔综合成果表结构相同的格式，再转化为单个数据表，利用SQL 语句“INSERT INTO 钻孔综合成果表SELECT*FROM HB133”将每个单井钻孔表（如‘HB133’）一次性导入到钻孔综合成果表中，形成一个海量数据表，存储勘探区所有地层、煤层的特征信息。在数据分析、统计、计算时，均对该表进行操作、访问。

图2 煤田勘探钻井地质数据表关系图

3 煤田勘探地质数据库功能实现

由于目前尚未形成固定的地层编录工业规范，在煤田勘探过程中，同一个勘探区域包括多个施工单位，各单位编录用语标准不一，地质技术人员专业素质差异较大，在地质数据综合分析过程中发现了大量错误。以往工作中有关数据的纠错、统一，均在电子表格中进行单一的数据修改或同类错误的数据替换，效率较低；而采用数据库统一管理后，利用编程语言则可批量修改，大大提高了工作效率和数据准确性。

1）查找重复记录。其SQL 语句为：

SELECT 层位编号，count(层位编号) FROM 钻探综合成果信息表GROUP BY 层位编号 HAVING count(*)>1；

若查询结果大于一行记录，则删除重复数据。

2）删除重复记录。首先在钻探综合成果信息表中增加一个自动编号字段WELL_ID，再以字段WELL_ID值为参考，删除重复记录。其SQL 语句为：

a l t e r t a b l e 钻探综合成果信息表a d d W E L L_I D AUTOINCREMENT(1,1)；

DELETE * FROM 钻探成果信息表 WHERE 层位编号in (select 层位编号 from 钻探成果信息表group by 层位编号 having count(层位编号)> 1)and WELL_ID not in(select max(WELL_ID)from 钻探综合成果信息表 group by 层位编号 having count(层位编号)>1)；

3）求平均值和极值。利用测井厚度统计各煤层的最大值、最小值、平均值和煤层总数，再将结果存放在煤层平均值统计表中。其SQL 语句为：

SELECT 煤层，min(测井厚度) AS 煤层最小值，max(测井厚度) AS 煤层最大值，avg(测井厚度) AS 煤层平均值，count(*) AS 煤层总数 INTO 煤层平均值统计表FROM 钻探综合成果信息表 WHERE 测井厚度 Is Not Null And 煤层编号Is Not Null And 测井厚度<>0 GROUP BY 煤层编号；

4）计算煤层变异系数。首先在钻探综合成果信息表中添加煤层方差字段，再计算煤层方差。其SQL 语句为：

alter table 钻探综合成果信息表add 煤层方差 single default 0；

U P D AT E 钻探综合成果信息表S E T 煤层方差=IIf(trim( 煤层编号)='1-2 上'，( 煤层有效厚度-2.89)^2，IIf(trim( 煤层编号)='1-2'，( 煤层有效厚度-3.66)^2，IIf(trim( 煤层编号)='2-2 上'，( 煤层有效厚度-1.49)^2，IIf(trim( 煤层编号)='2-2'，( 煤层有效厚度-1.53)^2，IIf(trim( 煤层编号)='3-1'，( 煤层有效厚度-1.13)^2，IIf(trim(煤层编号)='5-1'，(煤层有效厚度-1.26)^2，0))))))；

根据煤层方差，计算煤层变异系数。其SQL 语句为：

SELECT 煤层编号，sqr((1/(count(*)-1))*sum(煤层方差))/avg( 煤层有效厚度)AS 变异系数INTO 变异系数表FROM 钻探成果信息表WHERE 煤层有效厚度is not null and煤层编号is not null and 煤层方差<>0 GROUP BY 煤层编号；

5）计算煤层可采指数。首先计算可见煤层总数，并将计算结果保存在可见煤层总数表中。其SQL 语句为：

SELECT 煤层煤层编号，count(*)AS 可采煤层总数 INTO可见煤层总数表FROM 钻探成果信息表WHERE 煤层有效厚度is not null and 煤层编号is not null GROUP BY 煤层编号；

然后计算不可采煤层数，并将计算结果保存在不可采煤层总数表中。其SQL 语句为：

SELECT 煤层编号，count(*) AS 不可采煤层总数INTO不可采煤层总数表FROM 钻探综合成果信息表WHERE 煤层有效厚度is not null and 煤层编号is not null and 煤层有效厚度<=0.8 and 煤层有效厚度>0 GROUP BY 煤层编号；

最后计算可采煤层数，并将计算结果保存在可采煤层总数表中。其SQL 语句为：

SELECT 煤层编号，count(*)AS 可采煤层总数INTO 可采煤层总数表FROM 钻探综合成果信息表WHERE 煤层有效厚度is not null and 煤层编号is not null and 煤层有效厚度>0.8 GROUP BY 煤层编号；

计算煤层可采指数时，首先在可见煤层总数表中增加“可采煤层总数”和“可采指数”字段，并将可采煤层总数表中的“可采煤层总数”数据保存到可见煤层总数表中，再计算可采指数。其SQL 语句为：

alter table 可见煤层总数表add 可采煤层总数 int default 0;

alter table 可见煤层总数表add 可采指数single defaut 0;

update 可见煤层总数表a,可采煤层总数bset a.可采煤层总数=b.可采煤层总数 where a.煤层=b.煤层

update 可见煤层总数表 set 可采指数=(可采煤层总数/可见煤层总数)

6）计算煤层间距。由于煤层间距是指同一口探井中两层煤之间的距离，计算时需要读取表中的两条记录，在Access 中不能执行循环命令，难以批量编程完成，需在SQL Server 查询分析器中编程实现。其具体思路为：首先在钻探综合成果信息表中增加字段“煤层间距”，定义变量，循环取出上部煤层的综合底深赋值给变量；再循环计算下部煤层的煤层间距。例如，在活鸡兔补勘区有钻孔编号为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 层煤，利用以下SQL 语句可一次执行完毕。

alter table 钻探综合成果信息表add 煤层间距single defaut 0;

4 煤田勘探地质数据的GIS深入应用

GIS 是在计算机软硬件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中有关地理分布的数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。在煤田地质勘探中，通过钻孔揭示了钻井含煤地层特征、煤层特征、厚度、煤质地化特征、顶底板力学性质等，需在区域上分析、对比煤层间的空间展布规律、煤系地层、顶底板岩性特征等空间变化特点，还需深入进行沉积环境演化、聚煤规律研究。为了更好地开展区域煤层相关特征的空间对比研究，需要将各种地质信息投影到GIS 地图上，形成空间数据库，再进行空间信息对比，能直观提供相关信息，简化工作繁杂程度，提高工作效率[13-15]。

1）煤层厚度空间展示。将钻孔基础信息表与钻孔综合成果表通过字段主外键建立链接，并进行联合查询。例如，提取1-2上煤层厚度并投影到地图上，显示勘探区每个钻孔的煤层厚度，经过插值后，自动绘制煤层厚度等值线图（图3），即可直观展示煤层厚度的空间分布规律。

图3 活鸡兔补勘区1-2上煤层厚度等值线平面图

2）煤层间距空间展示。将钻孔基础信息表与煤层间距平均值表通过钻孔编号字段建立链接，并进行联合查询。例如，提取1-2上煤层与1-2 煤层间距值，并投影到地图上，显示勘探区每个钻孔的间距值，经过插值后，自动绘制煤层间距厚度等值线图（图4），即可直观展示煤层间距厚度的空间分布规律。

图4 活鸡兔补勘区1-2上与1-2 煤层间距等值线平面图

3）沉积微相展示。将钻孔基础信息表与钻孔综合成果表通过字段主外键建立链接，并进行联合查询。例如，提取1-2上煤层顶板岩性并投影到地图上，显示勘探区每个钻孔盖层顶板岩性，经过岩性特征分析、测井曲线分析和单井沉积微相分析后，再集合区域地质背景，进行初步沉积微相划分，并绘制沉积微相空间展布图（图5），为认识区域聚煤规律提供理论依据。

图5 1-2上煤层顶板沉积微相空间分布图

5 结语

1）利用数据库思想管理、修改、统计、计算海量煤田勘探地质数据，从根本上提高了工作效率，是一种技术方法的创新，可在煤田勘探中推广使用。

2）应用数据库设计思路，将煤田勘探地质数据显示在空间地理位置上，辅助技术人员进行空间信息对比，为揭示煤层厚度、煤层间距以及顶底板岩性、厚度等空间展布规律提供了更直观的信息依据，是一种数据分析的可视化手段。

3）空间数据库技术在煤系地层对比、沉积环境研究、聚煤规律分析等地学科研方面具有不可替代的优势，可进一步探索其应用价值。