基于MapGIS的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理與成圖軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

解華明 ，胡光道 ，梅紅波 ，秦 鑫，李程俊，3

（1.安徽建筑工業(yè)學(xué)院 環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230601；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 數(shù)學(xué)地質(zhì)與遙感地質(zhì)研究所，武漢 430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430074）

0 前言

測(cè)井技術(shù)作為地下地質(zhì)研究的一種手段，是從地質(zhì)體的物理性質(zhì)來(lái)認(rèn)識(shí)、了解地質(zhì)體的一種有效方法。通過(guò)測(cè)井可以詳細(xì)地研究鉆孔巖性，探測(cè)有用礦產(chǎn)，詳細(xì)提供計(jì)算儲(chǔ)量所必需的參數(shù)（如油層的有效厚度、孔隙度、含油氣飽和度和滲透率等）［1］。測(cè)井方法在金屬礦產(chǎn)、石油、煤，以及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)的鉆孔工作中都得到了廣泛的應(yīng)用，并已成為地質(zhì)勘探工作中不可或缺的勘探方法之一。應(yīng)用測(cè)井方法可以減少鉆井取心工作量，提高勘探速度，降低勘探成本。

對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理和成圖分析，有利于更好地解譯出鉆孔地層性質(zhì)。原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為明碼文本或二進(jìn)制數(shù)據(jù)，格式多樣，數(shù)據(jù)量大，包含有較多的無(wú)效數(shù)據(jù)，不利于直接分析、解譯，必須有專門(mén)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理和分析成圖軟件輔助進(jìn)行解譯。

目前，已經(jīng)有較多的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理和成圖軟件實(shí)現(xiàn)了這些功能。但是，往往功能越強(qiáng)大價(jià)格越昂貴，很多功能在生產(chǎn)中不常用，有些軟件繪制生成的圖件只能打印或者保存為柵格圖，后期圖件編輯、整飾不方便。

作者在本文中，討論了基于MapGIS的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行了石油測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理與成圖軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)了方便的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理，快速自動(dòng)生成多種用戶自定義格式的測(cè)井柱狀圖。

1 基本思路

作者在Windows平臺(tái)上，基于MapGIS 6.7地理信息系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用VC 6.0采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。利用國(guó)產(chǎn)成熟的MapGIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)成圖系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)工作量小，成本低，生成圖件即為MapGIS文件格式，可以利用MapGIS對(duì)生成圖件進(jìn)行后期編輯、整飾和精美打印。

1.1 基于MapGIS開(kāi)發(fā)測(cè)井繪圖系統(tǒng)可行性分析

MapGIS軟件圖形編繪功能強(qiáng)大，是圖表表達(dá)的有力工具，但其是為描述空間實(shí)體和對(duì)象而設(shè)計(jì)。如何利用MapGIS平臺(tái)提供的空間對(duì)象描述方法來(lái)表達(dá)繪圖元素，是開(kāi)發(fā)測(cè)井成圖系統(tǒng)的一個(gè)重要問(wèn)題，其直接影響著方案的可行性。

測(cè)井柱狀圖可以看成是由文字符號(hào)標(biāo)注、文字段落、復(fù)合表格、曲線、比例線段、花紋圖案所組成的一個(gè)復(fù)雜圖形。MapGIS 空間實(shí)體分為點(diǎn)狀實(shí)體、線狀實(shí)體、面狀實(shí)體，以及由這些實(shí)體聚合而成的聚合實(shí)體（如網(wǎng)絡(luò)實(shí)體等）?？梢越⑷鐖D1所示的利用MapGIS空間實(shí)體描述方法，來(lái)表達(dá)測(cè)井柱狀圖繪圖元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.2 系統(tǒng)功能需求

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括以下三個(gè)方面。

1.2.1 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理功能

原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)存在存儲(chǔ)格式多樣，不利于統(tǒng)一管理與處理的問(wèn)題，如有明碼的LAS格式，二進(jìn)制的LA716格式等，在實(shí)際工作中需要能夠進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換［2、3］。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，同一口井往往多次重復(fù)測(cè)井，每次測(cè)井深度不盡相同，需要根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行分割、合并、裁剪等操作，生成一個(gè)完整的符合要求的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)文件。

此外，在測(cè)井過(guò)程中不可避免地存在少量的空值（Null Value）和異常值，需要檢測(cè)出這些值［4］，并利用曲線上測(cè)點(diǎn)值、下測(cè)點(diǎn)值對(duì)空值和異常值進(jìn)行插值。

1.2.2 基于數(shù)據(jù)庫(kù)的測(cè)井曲線管理

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)量大，獲取成本高，數(shù)據(jù)價(jià)值大，數(shù)據(jù)安全性要求高，在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)管理過(guò)程中需要進(jìn)行權(quán)限管理、備份。在數(shù)據(jù)分析與處理過(guò)程中，需要數(shù)據(jù)共享。因此，需要利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理［5］。

1.2.3 測(cè)井柱狀圖自動(dòng)生成

測(cè)井柱狀圖可以圖形化表達(dá)測(cè)井曲線及解譯成果，是測(cè)井分析與成果表達(dá)的有效手段，繪制測(cè)井柱狀圖對(duì)測(cè)井地質(zhì)工作具有重要意義。生成的測(cè)井柱狀圖需要能夠進(jìn)行后期的圖形編輯，這樣可以方便地進(jìn)行圖形整飾。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、用戶界面層分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，如下頁(yè)圖2所示。

在數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，由各種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)文件存取函數(shù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)存取類、模板文件讀取解析類、巖性代碼存取類等構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)存取相關(guān)的功能方法，包括各種格式測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)文件的存取，基于關(guān)系型測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的存取，柱狀圖模板文件讀取與解釋，以文件數(shù)據(jù)庫(kù)形式存在的巖性代碼庫(kù)存取。

圖1 利用MapGIS空間實(shí)體描述方法表達(dá)測(cè)井柱狀圖繪圖元素Fig.1 Element description of logging histogram by MapGIS entity

業(yè)務(wù)邏輯層是由測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理類、柱狀圖數(shù)據(jù)處理類、繪圖類等構(gòu)成。

（1）測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理類實(shí)現(xiàn)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的組織、格式轉(zhuǎn)換、分割、合并、上提井下放井轉(zhuǎn)換、空值和異常值檢測(cè)、插值、各曲線統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)狀態(tài)檢查等功能。

（2）柱狀圖數(shù)據(jù)處理類實(shí)現(xiàn)繪制測(cè)井柱狀圖所需數(shù)據(jù)的組織、正確性驗(yàn)證、巖性代號(hào)或巖性名稱到MapGIS區(qū)填度代碼轉(zhuǎn)換等工作。

（3）繪圖類依據(jù)模板類的解析結(jié)果得到柱狀圖布局等參數(shù)，根據(jù)柱狀圖數(shù)據(jù)處理類的數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)井柱狀圖繪圖，繪圖結(jié)果為MapGIS的點(diǎn)、線、面文件。

用戶界面層是將系統(tǒng)功能按用戶使用邏輯進(jìn)行組織，封裝為小模塊。系統(tǒng)共分為六個(gè)小模塊：①測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)管理；②測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；③測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分割、合并；④測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)編輯；⑤測(cè)井柱狀圖繪圖；⑥巖性圖案管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)格式多樣，實(shí)現(xiàn)任意兩種格式之間的直接轉(zhuǎn)換工作量巨大，擴(kuò)展支持的數(shù)據(jù)格式也非常困難［2］。作者采用中間格式［5、6］（轉(zhuǎn)換媒介）進(jìn)行過(guò)度，實(shí)現(xiàn)多種格式測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的方法，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題（如下頁(yè)圖3所示）。

因?yàn)楦鞣N格式的頭記錄塊不盡相同，有的頭記錄塊信息豐富，有的較少，所以中間格式需盡可能地存儲(chǔ)頭記錄塊信息，以保證測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)頭記錄塊信息在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不丟失或少丟失。

2.2 測(cè)井曲線異常值檢測(cè)與插值

由于儀器等原因會(huì)造成測(cè)井曲線中存在異常值［7］，這個(gè)值不是巖性特征的物理性質(zhì)反映，必需通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法檢測(cè)出來(lái)，再通過(guò)其相鄰的上下測(cè)值對(duì)其進(jìn)行插值處理，消除異常。

在數(shù)據(jù)分析中，異常值檢測(cè)的方法有多種，常用 的 有Dixon 檢 驗(yàn) 法、Grubbs 檢 驗(yàn) 法 方 法［4、8］。Dixon檢驗(yàn)法和Grubbs檢驗(yàn)法都可以檢驗(yàn)一組測(cè)量值和剔除一組測(cè)量值中的異常值。當(dāng)一組測(cè)量值中僅有一個(gè)可疑值時(shí)，效果良好；但是當(dāng)有多個(gè)可疑值時(shí)，特別當(dāng)一組觀測(cè)值最大值和最小值同時(shí)為可疑值，或在最大值（或最小值）一側(cè)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)可疑值時(shí)，這兩種方法都不是很理想。作者在本系統(tǒng)中，通過(guò)提供多種異常值檢測(cè)方法共用戶混合使用來(lái)減小該問(wèn)題。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The overall structure of the system

圖3 通過(guò)中間格式進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方法示意圖Fig.3 Data format conversion by the intermediate format

測(cè)井曲線異常值檢測(cè)與普通觀測(cè)數(shù)據(jù)異常值檢測(cè)不完全相同，因?yàn)槠錅y(cè)點(diǎn)之間距離非常小（一般為0.1m 或0.15m），具有在深度方向上觀測(cè)值局部平滑的特點(diǎn)。但由于整條測(cè)井曲線的觀測(cè)值變化較大，故在進(jìn)行異常值檢測(cè)時(shí)不宜采用大樣本，可以選擇以待測(cè)可疑點(diǎn)為中心的局部區(qū)域作為檢測(cè)樣本進(jìn)行異常值檢測(cè)。當(dāng)該局部區(qū)域內(nèi)有少量（一個(gè)或二個(gè)）空值時(shí)，則跳過(guò)空值點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，選擇7個(gè)～11個(gè)測(cè)點(diǎn)作為樣本進(jìn)行檢測(cè)，效果較好。

因測(cè)井曲線具有局部平滑的特點(diǎn)，所以測(cè)井曲線空值與異常值可利用該值為中心的局部區(qū)域上的下測(cè)值進(jìn)行插值。插值方法可以選擇最小二乘線性插值、最小二乘二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式進(jìn)行插值。

2.3 測(cè)井曲線數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

不同的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)格式存儲(chǔ)的測(cè)井信息不完全相同，測(cè)井曲線數(shù)據(jù)庫(kù)需要盡可能地存儲(chǔ)所有頭記錄與曲線信息。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)能按類別來(lái)組織測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。

圖4（見(jiàn)下頁(yè)）為系統(tǒng)中測(cè)井曲線數(shù)據(jù)庫(kù)概念數(shù)據(jù)模型。在該模型中，“測(cè)井曲線”實(shí)體中“曲線列序號(hào)”字段存儲(chǔ)的是該曲線數(shù)據(jù)在“測(cè)井記錄”實(shí)體中的字段列序數(shù)。“測(cè)井記錄”實(shí)體有52 個(gè)字段，其中從“C1”至“C50”50 個(gè)字段用于存儲(chǔ)測(cè)井曲線值，一個(gè)測(cè)井文件一般不會(huì)超過(guò)50條曲線，50個(gè)字段足夠存儲(chǔ)。用這種方法將這兩個(gè)實(shí)體聯(lián)系起來(lái)而不用聯(lián)系實(shí)體［9］，是因?yàn)檫@種數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)具有較好的數(shù)據(jù)庫(kù)插入、查詢效率。

2.4 基于模板的測(cè)井柱狀圖自動(dòng)生成

地質(zhì)柱狀圖在地質(zhì)、石油勘探等行業(yè)中是非常重要的圖件，開(kāi)發(fā)地質(zhì)柱狀圖自動(dòng)生成軟件時(shí)存在兩個(gè)難點(diǎn)：①不同行業(yè)部門(mén)的柱狀圖的格式和記錄的數(shù)據(jù)一般都不相同，如何開(kāi)發(fā)一個(gè)用戶可定制格式的柱狀圖生成程序，成為軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)普遍存在的難點(diǎn)；②地質(zhì)柱狀圖中需要設(shè)置的參數(shù)太多，各個(gè)位置文字的字體、大小、顏色、布局要求都不相同，復(fù)合表格、曲線的線型也不盡相同，這些都需要提供給用戶設(shè)置，如果這些參數(shù)都通過(guò)對(duì)話框與用戶交互，則會(huì)使人機(jī)界面變得相當(dāng)復(fù)雜。

本系統(tǒng)測(cè)井柱狀圖是作者利用前人提出的模板和圖道思想［10～12］并作改進(jìn)，很好地解決了上述兩個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了用戶可定制的測(cè)井柱狀圖自動(dòng)生成?？梢詫y(cè)井柱狀圖分解為如表1 所示（見(jiàn)下頁(yè)）的圖面元素類型。各個(gè)類型按其更新條件可以分為兩類：①格式型元素，只有當(dāng)柱狀圖格式修改了才需要更新；②數(shù)據(jù)型元素，只要是不同的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)繪制柱狀圖就需要更新。

利用MapGIS建立模板文件，對(duì)于格式型元素直接在模塊文件繪出，對(duì)于數(shù)據(jù)型元素在模板文件中繪制出元素在圖面布局中的位置，并在圖元屬性中存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)名稱、繪圖參數(shù)。

在自動(dòng)成圖時(shí)，解析模板文件。對(duì)于格式型元素照抄到生成的圖件中；對(duì)于數(shù)據(jù)型元素，讀取其繪圖位置、繪圖參數(shù)和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱，從柱狀圖繪圖數(shù)據(jù)中找到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，利用繪圖參數(shù)進(jìn)行圖形繪制。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

基于上述研究?jī)?nèi)容，作者開(kāi)發(fā)并完成了測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理和測(cè)井柱狀圖生成軟件，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的預(yù)處理和快速自動(dòng)生成多種格式的測(cè)井柱狀圖。該軟件在我國(guó)東海西湖凹陷石油勘探開(kāi)發(fā)的初步應(yīng)用中效果良好（見(jiàn)后面圖5）。

圖4 測(cè)井曲線數(shù)據(jù)庫(kù)概念數(shù)據(jù)模型Fig.4 Conceptual data model of logging database

表1 測(cè)井柱狀圖元素分類Tab.1 Element classification of logging histogram

4 結(jié)論

（1）基于MapGIS開(kāi)發(fā)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理和成圖軟件，可以實(shí)現(xiàn)快速、方便地繪制多種格式測(cè)井柱狀圖，繪制出的圖件可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，效果良好。

（2）采用中間格式進(jìn)行過(guò)度，可以在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)多種格式的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)格式相互轉(zhuǎn)換的方法，相比較傳統(tǒng)的兩兩測(cè)井格式轉(zhuǎn)換的方法，節(jié)約了編程工作量。

（3）傳統(tǒng)異常值檢測(cè)的Dixon檢驗(yàn)法、Grubbs檢驗(yàn)法，可以應(yīng)用于測(cè)井觀測(cè)異常值的檢測(cè)。但當(dāng)有多個(gè)可疑值時(shí)，檢測(cè)方法可能不理想，需要多種檢測(cè)方法綜合應(yīng)用。

（4）在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，對(duì)實(shí)體不能劃分過(guò)細(xì)，需要綜合考慮測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)插入、查詢的效率。

（5）利用模板方法進(jìn)行多格式測(cè)井柱狀圖自動(dòng)繪制技術(shù)是可行、實(shí)用的，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

圖5 軟件自動(dòng)生成的兩種格式的測(cè)井柱狀圖界面Fig.5 Two types logging histogram automatically generated by the system

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