李 斌，向軍文，李明建，羅 群，胡博文，晉長昊

(1.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

地質(zhì)資料信息化是基于海量地質(zhì)資料積累后形成數(shù)字化服務(wù)產(chǎn)品的科學(xué)管理模式，是信息社會的重要組成部分，是實現(xiàn)信息化環(huán)境下的高效社會服務(wù)和知識創(chuàng)新體系建設(shè)的一項具體任務(wù)，具有重要的社會現(xiàn)實意義[1]。地質(zhì)資料是地質(zhì)工作者用勞動和智慧積淀的寶貴社會財富，是社會再生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，也是國家經(jīng)濟建設(shè)的參考依據(jù)。地質(zhì)資料社會化服務(wù)是地質(zhì)工作成果再生價值的延續(xù)，國土資源規(guī)劃、工程建設(shè)、土地開發(fā)利用以及地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查、礦產(chǎn)資源開發(fā)等有關(guān)國家重大戰(zhàn)略規(guī)劃對地質(zhì)資料的重復(fù)性開發(fā)利用具有廣泛的社會需求和廣闊的市場前景[2-3]。

實現(xiàn)地質(zhì)勘查全過程信息化也是地質(zhì)工作信息化戰(zhàn)略任務(wù)的重要目標之一，是改變地質(zhì)工作傳統(tǒng)方式、提高現(xiàn)代化管理水平的關(guān)鍵。

美國地質(zhì)調(diào)查局從20世紀60年代開始興建各種類型的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，保證實時、有效、連續(xù)地為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)的注冊用戶提供可靠的科學(xué)信息服務(wù)；加拿大地質(zhì)調(diào)查局在20世紀80年代就建成了地學(xué)數(shù)據(jù)知識庫，用戶可通過專業(yè)網(wǎng)站免費下載地球物理及地球化學(xué)測試數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)和海洋地質(zhì)等地質(zhì)資料和圖件[4]；中國地質(zhì)調(diào)查局從1995年開始進行區(qū)域地質(zhì)調(diào)查信息庫的建設(shè)，目前已建成全國1∶5 000 000、1∶2 500 000、1∶500 000和 1∶200 000地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫，中國資源衛(wèi)星資料數(shù)據(jù)庫，全國 1∶6 000 000水文地質(zhì)圖空間數(shù)據(jù)庫，全國巖石地層單位數(shù)據(jù)庫，全國同位素地質(zhì)測年數(shù)據(jù)庫和全國區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫等數(shù)百種地質(zhì)數(shù)據(jù)庫[4-6]，良好地實現(xiàn)了區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)的實時發(fā)布、動態(tài)更新，為用戶提供數(shù)據(jù)檢索與查詢服務(wù)，并提供地質(zhì)圖件的地理空間查詢、瀏覽服務(wù)，同時提供相關(guān)地質(zhì)背景知識的服務(wù)。

石油行業(yè)是較早開展信息化建設(shè)的行業(yè)。早在1998年美國前副總統(tǒng)戈爾提出了數(shù)字地球的概念，引起了全球范圍內(nèi)的震動，數(shù)字地球從此成為世界科學(xué)技術(shù)界的發(fā)展熱點之一，石油行業(yè)率先推進。1999年，大慶油田提出“數(shù)字油田”的概念，國內(nèi)外石油行業(yè)開啟了石油行業(yè)信息化建設(shè)[7]。目前，發(fā)達國家的石油公司在無線遙感、現(xiàn)場實時傳輸、隨鉆錄井及隨鉆測井等領(lǐng)域的信息化建設(shè)取得突破性進展，對提高油田工作效率、降低油氣生產(chǎn)成本等起重要作用。我國三大石油行業(yè)從2000年開始進行信息化建設(shè)，在油氣勘探、開發(fā)、生產(chǎn)等各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)和領(lǐng)域中都廣泛使用各類信息系統(tǒng)，目前已經(jīng)建成了石油、地質(zhì)綜合資料數(shù)據(jù)庫，在信息系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施、管理體系等方面取得重大進展，建成了以ERP(企業(yè)資源計劃)為核心的多個全局性系統(tǒng)，實現(xiàn)了主要業(yè)務(wù)的覆蓋，為生產(chǎn)運行、經(jīng)營管理提供了較好的支持[8]。但在油氣地質(zhì)勘探生產(chǎn)中，信息化管理手段仍然滯后，未能實時提供異地協(xié)同式共享工作數(shù)據(jù)服務(wù)。

我國的頁巖氣勘探工作處于起步階段[9-10]，其信息化建設(shè)遠遠落后于傳統(tǒng)的石油行業(yè)及地質(zhì)調(diào)查行業(yè)。重慶涪陵地區(qū)的頁巖氣發(fā)現(xiàn)，開辟了中國頁巖氣商業(yè)化開發(fā)先河，增強了頁巖氣勘探的信心，目前在多個地區(qū)建成了商業(yè)開采示范區(qū)。從2015年開始中石化投入資金進行頁巖氣田信息系統(tǒng)的建設(shè)，現(xiàn)已投入使用，但其主要針對常規(guī)的數(shù)字資料收集與管理，還遠未能達到協(xié)同式遠程工作的程度。

神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司從2013年開始在湖南保靖地區(qū)開展頁巖氣及在山西保德地區(qū)開展煤層氣的勘探工作。在頁巖氣勘探實踐中發(fā)現(xiàn)，實時共享地質(zhì)數(shù)據(jù)，科學(xué)地管理、應(yīng)用地質(zhì)數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)地質(zhì)科研管理部門對井場地面及井下地質(zhì)信息的全方位監(jiān)控，從而掌握鉆井施工作業(yè)中的實況和地質(zhì)相關(guān)信息，監(jiān)測井下工程異常和地質(zhì)變化，及時做出施工調(diào)整，減少復(fù)雜工程事故的發(fā)生，確保實現(xiàn)地質(zhì)設(shè)計的目的，并提高施工作業(yè)安全性和勘探開發(fā)成功率。當(dāng)前，數(shù)據(jù)的共享以QQ傳輸為主，該種方法一方面網(wǎng)絡(luò)的安全性不高，另一方面文件組織管理混亂，導(dǎo)致文件的收集、整理傳輸工作量較大，重復(fù)性勞動較多，效率低下。

建立頁巖氣勘探空間數(shù)據(jù)庫管理平臺，實時進行地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和共享成為當(dāng)前油氣地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)勘探的熱點。頁巖氣勘探數(shù)據(jù)也是一種可以通過空間位置進行有序組織管理、查詢、分析的地質(zhì)數(shù)據(jù)，其中包括了海量相互關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)，若能通過空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行科學(xué)管理、使用，是一種管理方法的創(chuàng)新，使生產(chǎn)管理技術(shù)思路從常規(guī)的粗放型向科學(xué)化、信息化節(jié)約型轉(zhuǎn)變，必將從根本上提高管理效率，可以在行業(yè)內(nèi)廣泛推廣使用。

1 數(shù)據(jù)庫語言環(huán)境及實現(xiàn)思路

1.1 軟件選擇及實現(xiàn)思路

本次頁巖氣空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計使用ArcGis Server和Sql Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，語言選擇ASP.NET和JavaScript。

ArcGis Server是ESRI新出臺的功能強大的基于服務(wù)器的產(chǎn)品，用于構(gòu)建集中管理的、支持多用戶的、具備高級功能的企業(yè)級應(yīng)用與服務(wù)，如空間數(shù)據(jù)管理、三維地圖可視化、數(shù)據(jù)編輯、空間分析等。該平臺可實現(xiàn)基于WEB方式的分布式環(huán)境下的地理數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用服務(wù)，和常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可以無縫對接，如Sql Server、Access等；也可支持流行的計算機網(wǎng)絡(luò)語言進行二次開發(fā)，如C#，ASP.NET、Java等。頁巖氣勘探中空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計中，具有空間特征的數(shù)據(jù)庫設(shè)計使用地理信息系統(tǒng)服務(wù)器管理軟件ArcGis Server，對鉆井位置、地質(zhì)構(gòu)造、地層分布、地層產(chǎn)狀、沉積相特征、地化指標、三維地震工區(qū)、地理數(shù)據(jù)等均采用點、線、面等空間坐標和屬性特征建立數(shù)據(jù)庫，以井位代碼或區(qū)域代碼設(shè)定數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵字段，以關(guān)鍵字段建立數(shù)據(jù)存儲索引。

SQL Server是Microsoft 公司推出的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。該平臺具有使用方便、可伸縮性好與相關(guān)軟件集成程度高等優(yōu)點，得到廣泛使用。SQL Server 是一個全面的數(shù)據(jù)庫平臺，使用集成的商業(yè)智能工具提供了企業(yè)級的數(shù)據(jù)管理。平臺的數(shù)據(jù)庫引擎為關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了更安全可靠的存儲功能，可以構(gòu)建和管理用于業(yè)務(wù)的高可用和高性能的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。和空間特征相關(guān)的頁巖氣勘探屬性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計使用Sql Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器管理軟件，對設(shè)計報告、錄井?dāng)?shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)、地震解釋數(shù)據(jù)、地化分析數(shù)據(jù)、鉆井跟蹤文件、野外調(diào)查照片、地質(zhì)圖件等建立關(guān)系型屬性數(shù)據(jù)庫，以井位編碼或區(qū)域編碼為關(guān)鍵字段，建立索引，使用共同的關(guān)鍵字段與空間數(shù)據(jù)庫建立連接。系統(tǒng)專業(yè)管理用戶客戶端也安裝Sql Server，多用戶協(xié)同式工作。屬性數(shù)據(jù)庫訪問采用B-S結(jié)構(gòu)，多個終端通過瀏覽器訪問，數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)頁之間的數(shù)據(jù)交換通過使用ASP.NET服務(wù)器端腳本技術(shù)和JavaScript客戶端腳本技術(shù)編程實現(xiàn)(圖1)。

圖1 頁巖氣勘探空間數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)思路Fig.1 The realization idea of the space database for shale gas exploration

1.2 數(shù)據(jù)訪問方式

通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境Internet或Intranet實現(xiàn)頁巖氣勘探數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)授權(quán)普通用戶可以在客戶端通過Web瀏覽器按照空間位置對頁巖氣勘探數(shù)據(jù)庫進行空間數(shù)據(jù)查詢、下載、空間分析等；系統(tǒng)維護用戶可以有針對性地進行數(shù)據(jù)增加、刪除、修改、更新、上傳、備份等，并給予高級用戶消息及文件推送；高級用戶可以享受最新數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，并接受郵箱或微信推送功能，通過微信或QQ在第一時間得到接收信息的通知，及時進行階段性分析；系統(tǒng)專業(yè)管理用戶可以進入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、查重、批量修改、按條件海量數(shù)據(jù)計算，進行協(xié)同式數(shù)據(jù)訪問與交流，自動繪制統(tǒng)計圖表和地質(zhì)圖件，分享工作成果(圖2)。

圖2 頁巖氣勘探空間數(shù)據(jù)庫需求分析Fig.2 Demand analysis of space database for shale gas exploration

1.3 協(xié)同式數(shù)據(jù)共享方式

在頁巖氣勘探地質(zhì)數(shù)據(jù)管理應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的單機、單用戶存儲，簡單復(fù)制、拷貝方式是一種陳舊的簡單化常規(guī)管理模式，在規(guī)?；s型生產(chǎn)中已顯滯后。使用空間數(shù)據(jù)庫管理具有空間特征的數(shù)據(jù)庫，如地質(zhì)圖件中的點、線、面，均可以通過瀏覽器訪問方式共享，并通過空間數(shù)據(jù)的瀏覽，進一步訪問、查詢其他屬性數(shù)據(jù)——在頁巖氣勘探中大量數(shù)據(jù)的不具備特征的屬性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如分析化驗資料。這些屬性數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)科學(xué)管理，并按照用戶權(quán)限進行網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同式共享，實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)訪問、交流，從根本上提高數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用效率，提高數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

2 空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計實例

以湖南保靖地區(qū)頁巖氣勘探地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理為例，詳細介紹空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)過程和主要技術(shù)環(huán)節(jié)。

2.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)的分類與標準化

在頁巖氣勘探中，地質(zhì)數(shù)據(jù)種類繁多，科學(xué)數(shù)據(jù)庫管理必須標準化地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。從文件格式上看，頁巖氣勘探生產(chǎn)常用的數(shù)據(jù)格式大致可以區(qū)分出有文本文件、電子表格文件、圖形文件、數(shù)據(jù)體文件等。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計前，確定數(shù)據(jù)的標準格式：文本數(shù)據(jù)以*.doc或*.docx格式，圖件以*cdr或*.jpg格式，電子表格文件以*.xlsx或*.xls格式，地震數(shù)據(jù)體則以*.Sgy格式。

2.2 文件的存儲方式設(shè)計

頁巖氣勘探的地質(zhì)文件以服務(wù)器目錄樹形結(jié)構(gòu)方式存儲，在屬性數(shù)據(jù)庫中存儲其分類、索引、關(guān)鍵字段、文件特征描述及其鏈接目標。具有量化特征的地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)，如錄井分層數(shù)據(jù)、測井分層數(shù)據(jù)、野外地質(zhì)剖面分層數(shù)據(jù)等以數(shù)據(jù)表的方式存儲于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫管理器中。具有空間屬性的地質(zhì)數(shù)據(jù)，則以*.Shp文件格式存儲于空間數(shù)據(jù)服務(wù)器中。

2.3 文件查詢方式設(shè)計

文件查詢方式，以Web瀏覽器方式與服務(wù)器間數(shù)據(jù)進行訪問，既支持按空間位置查詢，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)分析，也支持屬性數(shù)據(jù)字段網(wǎng)絡(luò)化查詢、關(guān)鍵字段查詢以及內(nèi)容模糊查詢，實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的全方位無死角查詢。

2.4 用戶功能設(shè)計

按照系統(tǒng)運行特征，系統(tǒng)內(nèi)的注冊用戶可以區(qū)分出普通用戶、系統(tǒng)維護用戶、系統(tǒng)專業(yè)管理用戶、高級用戶4種類型。普通用戶只有閱讀、查詢、下載地質(zhì)數(shù)據(jù)的功能；系統(tǒng)維護用戶具有客戶端文件閱讀、查詢、整理、收集、上傳、刪除、修改、分發(fā)、通知的功能，且具有審批用戶申請，設(shè)置用戶權(quán)限、記錄及跟蹤用戶作業(yè)的功能；系統(tǒng)專業(yè)管理用戶除具有普通用戶的權(quán)限外，還具有登錄數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的功能，可在服務(wù)器端進行系統(tǒng)維護，管理、更新、查詢、分析、統(tǒng)計、計算、分享屬性數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)，也可登錄服務(wù)器端進行空間數(shù)據(jù)的維護及操作；高級用戶除具有普通用戶的功能外，還享受信息推送服務(wù)功能。

2.5 空間數(shù)據(jù)設(shè)計

空間數(shù)據(jù)均以平面圖件的方式存儲于文件中，按照圖件的形態(tài)，可以劃分出點、線、面3種類型，每種類型均以單獨的形式在地理圖上顯示其所有空間圖形，自動形成了一個獨立的數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表中有位置編號(如區(qū)域編號或井位編號)、坐標位置、圖形名稱、圖形類別、圖形備注等，在數(shù)據(jù)表中設(shè)定區(qū)域編號為關(guān)鍵字段，設(shè)為主鍵，建立索引，與屬性數(shù)據(jù)庫中的外鍵關(guān)聯(lián)(圖3)，以備空間分析。

圖3 空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)Fig.3 Links between spatial databases and attribute databases

2.6 關(guān)系型屬性數(shù)據(jù)設(shè)計

屬性數(shù)據(jù)庫是地質(zhì)資料數(shù)據(jù)信息的核心內(nèi)容，是對地質(zhì)數(shù)據(jù)的有序化標識，用戶通過關(guān)鍵字段或其描述內(nèi)容進行查詢[11-12]，以Web方式顯示具有樹形結(jié)構(gòu)的文件名稱，為注冊用戶提供極佳的科學(xué)查詢方式。屬性數(shù)據(jù)庫由多個關(guān)系型屬性數(shù)據(jù)表組成，各屬性表中建立了具有空間性質(zhì)和屬性性質(zhì)的關(guān)鍵字段，如數(shù)據(jù)總表中記錄了地質(zhì)文件的地區(qū)編號、井位編號、位置名稱、文件編號、文件位置、文件描述等(表1)。其中唯一的關(guān)鍵字段為文件編號，為這個表的主鍵，而井位編號、地區(qū)編號均為外鍵，與空間數(shù)據(jù)表中的關(guān)鍵字段建立關(guān)聯(lián)，用戶可以通過空間位置查詢屬性數(shù)據(jù)文件，也可根據(jù)屬性值查詢數(shù)據(jù)文件，通過文件名稱鏈接數(shù)據(jù)文件，客戶端可以直接下載。

表1 地質(zhì)資料屬性數(shù)據(jù)Table 1 Geological data attribute data

數(shù)據(jù)的組織管理中，除了大量的文件數(shù)據(jù)，還有一類可量化分析、處理的地質(zhì)數(shù)據(jù)，如錄井?dāng)?shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)、野外地質(zhì)剖面分層數(shù)據(jù)、巖心照片等，均以數(shù)據(jù)表的方式組織管理，各數(shù)據(jù)表間通過主鍵和外鍵建立連接關(guān)系。如在地層編錄表中鉆孔編號作為外部關(guān)鍵字與空間表中的主關(guān)鍵字段鉆孔編號建立關(guān)聯(lián)，可以進行空間訪問；而編錄號則可以作為該表中的主鍵進行索引，表中的其他外部關(guān)鍵字段如巖性編號、顏色編號、結(jié)構(gòu)編號、構(gòu)造編號可與其他數(shù)據(jù)表中的主要關(guān)鍵字段建立關(guān)聯(lián)，形成關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)連接、關(guān)聯(lián)訪問(圖4)。

2.7 數(shù)據(jù)分析設(shè)計

為統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為每個系統(tǒng)的專業(yè)管理用戶分配了特定的權(quán)限，可對屬性數(shù)據(jù)進行增、刪、改操作，并對數(shù)據(jù)的邏輯性及數(shù)據(jù)的專業(yè)特征進行深入分析，如數(shù)據(jù)的復(fù)雜查詢、數(shù)據(jù)查重、批量修改和海量計算，均可通過查詢分析器的平臺使用SQL語句進行科學(xué)快速訪問，并應(yīng)用數(shù)據(jù)制作各種分析圖件。也可在服務(wù)器端訪問數(shù)據(jù)文件，對文件的合理性、可靠性、目的性進行研究，并對文件進行修改及備注，為深入研究提供可靠的依據(jù)。

2.8 自動成圖設(shè)計

數(shù)據(jù)圖表以直觀、形象的形式顯示數(shù)據(jù)庫內(nèi)的地質(zhì)數(shù)據(jù)[4-9]。在頁巖氣勘探中最常用的圖件是平面圖、剖面圖以及柱狀圖。系統(tǒng)設(shè)計時，空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存儲了相關(guān)的地質(zhì)量化數(shù)據(jù)和空間位置數(shù)據(jù)，并能網(wǎng)絡(luò)共享。根據(jù)需求編寫或應(yīng)用客戶端繪圖平臺，如平面圖繪制系統(tǒng)、綜合柱狀圖繪制系統(tǒng)等，直接根據(jù)用戶需求，選擇性導(dǎo)入數(shù)據(jù)，即可按需求形成圖件，將大大提高成圖效率和靈活性。

3 結(jié)論

使用空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)了頁巖氣勘探中地質(zhì)資料的集中科學(xué)管理，在互聯(lián)網(wǎng)多個客戶端實現(xiàn)了遠程分布式協(xié)同共享工作模式，簡化了文件收集、查詢、傳輸、更新的復(fù)雜工作途徑，提高了地質(zhì)資料的應(yīng)用效率，培養(yǎng)了團隊協(xié)作精神。且由于空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，可通過Web瀏覽器空間方式查詢地質(zhì)數(shù)據(jù)，并能靈活自動成圖，是一種創(chuàng)新性的數(shù)據(jù)管理方式，革新了數(shù)據(jù)查詢的方式。隨著勘探區(qū)地質(zhì)資料的增多，將發(fā)揮其地質(zhì)資料管理效率的優(yōu)勢。此外，在定量化數(shù)據(jù)管理中，可實時分步式進行數(shù)據(jù)保存、復(fù)雜查詢、批量修改和海量計算，提高了工作效率，減少了人力物力投入，節(jié)約了時間。

圖4 頁巖氣勘探數(shù)據(jù)庫關(guān)系Fig.4 Relational of database for shale gas exploration

空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)用于頁巖氣勘探地質(zhì)數(shù)據(jù)管理，是一種技術(shù)方法的創(chuàng)新，地學(xué)界可以廣泛推廣，為今后地學(xué)工作的深入研究奠定了基礎(chǔ)。