CN105301642B - 非均匀孔隙岩石及其固态有机质体积含量确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非均匀孔隙岩石及其固态有机质体积含量确定方法及装置，其中包括非均匀孔隙岩石的体积模量确定方法：确定非均匀孔隙岩石中背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数；根据背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算非均匀孔隙岩石的体积模量。还包括非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定方法：按上述方法确定非均匀孔隙岩石的体积模量；计算非均匀孔隙岩石的纵波速度；以弹性波传播速度与纵波速度之间的差异为目标函数，根据非均匀孔隙岩石的体积模量，反演非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量。本发明可以准确可靠地计算出非均匀孔隙岩石的体积模量和非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量。
Description
技术领域
本发明涉及地震岩石物理技术领域，尤其涉及非均匀孔隙岩石及其固态有机质体积含量确定方法及装置。
背景技术
近年来，随着人类对能源需求的日益增加，致密油气等非常规资源已成为全球石油勘探开发的重点关注领域。致密油以吸附或游离状态赋存于生油岩(或与生油岩互层、紧邻的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集岩)中，这类石油未经过大规模长距离运移聚集，与常规储层相比，致密油储层的地质特征更为复杂，普遍具有局部非均质状况变化剧烈、成岩种类多样化、流体分布模式复杂等特点。
岩石骨架是充满孔隙和裂缝的介质，油气资源能够在其中生成、储藏和运移。地震波在致密油储层孔隙介质中传播时，由于固流两相介质力学性质不同产生相对运动，并由此产生能量耗散，导致波速度频散和衰减。通过对岩石波速的观测，能够了解储层中油气资源的空间分布和物理特征。在非均质致密孔隙介质中影响频散和衰减的因素较为复杂，主要包括孔隙介质中复杂流体的类型、微纳米孔隙网络结构特征、流固相对运动方式和波的频率等。同时，致密油储层地质特征复杂，生烃储层岩石包含矿物颗粒和固态有机质(干酪根)等非均匀性相，孔隙流体非达西流动等复杂流体现象也给地震波勘探等常规手段带来挑战。
干酪根(kerogen)是非常规油气资源的重要研究对象之一，以非均匀掺杂物的形式填充于岩石骨架中。岩石骨架和固体有机物均可视为孔隙介质，无论在无机矿物骨架还是在干酪根内部，都发现存在大量不同尺度、不同形状和不同数量的微孔隙，这些孔隙构成了烃类产生和存储的场所。无机矿物和干酪根的孔隙度、密度、渗透率、弹性模量等岩石物理参数有很大不同，储层岩石可以看作是包含无机孔隙和有机孔隙的系统，它们的共同存在使岩石成为双重孔隙系统，这包括背景物质(如无机矿物)孔隙骨架和非均匀掺杂物质(如固态有机物质)形成的斑块状孔隙系统。与此同时，在背景物质孔隙空间和和掺杂物质孔隙空间中可以被不同的填充物占据，因此，富含固态有机质的岩石具有双重孔隙和双重填充物特征(见图1)。根据有机质含量等参数，建立双重孔隙非均质储层岩石弹性模量的计算模型，提出基于波速的有机质体积含量反演方法，这对于通过地震波勘探开发页岩油气资源意义非凡。
含有孔隙的岩石体积模量理论模型主要包括Eshelby(1957)，Hashin(1960)，Kuster和Toksoz(1974)，Xu和White(1995)等提出的理论模型。对于无限大均匀各向同性介质，Eshelby提出了局部区域发生形状和尺寸变化时的复合体弹性模量计算方法，这个方法可以得到包含椭球体掺杂物的复合介质弹性模量理论计算模型，该方法的前提假设是：(1)背景介质是无限大的，(2)椭球体掺杂物内部的应变是均匀的。该方法可以得到包含椭球体掺杂物(或孔洞)的复合介质静力学弹性体积模量。
Hashin于1960年研究了具有随机非均匀性的弹性介质体积模量的解析计算方法。该方法包括均匀各向同性的背景连续介质和另一种均匀各向同性的掺杂物介质，两种介质的体积模量都是已知的。在理论分析中，该方法假设颗粒状掺杂物的体积含量在空间中是均匀的，即空间任意一处的掺杂物或背景介质体积比都是相同的，整个复合介质可以看作一种等效的均匀介质。
1974年，Kuster和Toksoz给出了两相介质中体积模量和地震波速度的计算方法，考虑一种连续背景物质(固体或者液体)中随机掺杂了另外一种物质(固体或液体)的情况，在给定掺杂物质的体积比、形状和物理属性等参数情况下，通过等效介质级数展开方法得到了这种复合介质的地震波速度和体积模量。该方法的假设条件是：(1)介质中地震波的波长远大于掺杂物的尺寸；(2)空间中掺杂物的分布是均匀、各向同性的。该方法能够计算包含椭球体掺杂物的复合材料体积模量。
在Kuster和Toksoz方法基础上，Xu和White提出了包含粘土-砂岩两种物质的孔隙介质速度模型，该方法给出了同时含有两种几何形状孔隙的计算模型，这包括(1)接近球体的砂岩内部孔隙；(2)具有小纵横比的页岩孔隙。
上述这些方法主要用于计算包含两种物质的复合介质体积模量，即包含(1)连续背景物质；(2)离散分布的颗粒掺杂物介质。在实际储层岩石中，往往是十分复杂的情况，通常包含多种背景物质(如无机矿物和固态有机物)。同时，不同背景物质往往具有不同的掺杂物或者孔隙。因此，对非常规储层岩石来说，怎样计算包含两种骨架材料和两种掺杂物的非均匀分布孔隙岩石弹性模量是一个十分重要的问题，但是现有模型仍然面临困难，尚没有一个简洁有效的计算方法，并且使基于波速的有机质体积含量反演也不能得到准确可靠的结果。
发明内容
本发明实施例提供一种非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定方法，用以准确可靠地计算出非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量，该方法包括：
确定非均匀孔隙岩石中背景相孔隙介质的岩石物理参数；
确定非均匀孔隙岩石中掺杂物孔隙介质的岩石物理参数；
根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量；
观测所述非均匀孔隙岩石中弹性波传播速度；
根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的纵波速度；
以弹性波传播速度与所述纵波速度之间的差异为目标函数，根据所述非均匀孔隙岩石的体积模量，反演所述非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量，包括：
根据背景相和掺杂相的孔隙度，计算得到对应密度，并计算出弹性波传播速度；以观测所得的弹性波传播速度为约束条件，以掺杂相固体有机质体积比为反演参数，预测非均匀孔隙岩石的纵波速度变化情况。
一个实施例中，根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量，包括：
根据所述背景相孔隙介质的岩石物理参数，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量；
根据所述掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量；
根据所述背景相孔隙介质的等效体积模量和所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量。
一个实施例中，根据所述背景相孔隙介质的岩石物理参数，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量，包括：
根据所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量；
根据所述掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，包括：
根据所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量。
一个实施例中，按如下公式，根据所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量：
其中，为所述背景相孔隙介质的等效体积模量，(Km,Gm)为所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量，νm为所述背景相孔隙介质中骨架物质的泊松比，(Kp,Gp)为所述背景相孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量，cl为所述背景相孔隙介质中掺杂颗粒的体积比；
按如下公式，根据所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量：
其中，为所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，为所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量，为所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的泊松比，为所述掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量，ch为所述掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积比。
一个实施例中，按如下公式，根据所述背景相孔隙介质的等效体积模量和所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量：
其中，为所述非均匀孔隙岩石的体积模量，为所述背景相孔隙介质的等效体积模量，为所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，α为所述背景相孔隙介质的体积比。
本发明实施例还提供一种非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定装置，用以准确可靠地计算出非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量，该装置包括：
背景相参数确定模块，用于确定非均匀孔隙岩石中背景相孔隙介质的岩石物理参数；
掺杂物参数确定模块，用于确定非均匀孔隙岩石中掺杂物孔隙介质的岩石物理参数；
体积模量计算模块，用于根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量；
弹性波速观测模块，用于观测所述非均匀孔隙岩石中弹性波传播速度；
波速计算模块，用于根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的纵波速度；
体积含量确定模块，用于以弹性波传播速度与所述纵波速度之间的差异为目标函数，根据所述非均匀孔隙岩石的体积模量，反演所述非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量，包括：
根据背景相和掺杂相的孔隙度，计算得到对应密度，并计算出弹性波传播速度；以观测所得的弹性波传播速度为约束条件，以掺杂相固体有机质体积比为反演参数，预测非均匀孔隙岩石的纵波速度变化情况。
一个实施例中，所述体积模量计算模块包括：
背景相计算单元，用于根据所述背景相孔隙介质的岩石物理参数，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量；
掺杂物计算单元，用于根据所述掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量；
体积模量计算单元，用于根据所述背景相孔隙介质的等效体积模量和所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量。
一个实施例中，所述背景相计算单元具体用于：
根据所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定所述背景相孔隙介质的等效体积模量；
所述掺杂物计算单元具体用于：
根据所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量。
一个实施例中，所述背景相计算单元具体用于按如下公式，根据所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定所述背景相孔隙介质的等效体积模量：
其中，为所述背景相孔隙介质的等效体积模量，(Km,Gm)为所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量，νm为所述背景相孔隙介质中骨架物质的泊松比，(Kp,Gp)为所述背景相孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量，cl为所述背景相孔隙介质中掺杂颗粒的体积比；
所述掺杂物计算单元具体用于按如下公式，根据所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量：
其中，为所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，为所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量，为所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的泊松比，为所述掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量，ch为所述掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积比。
一个实施例中，所述体积模量计算单元具体用于按如下公式，根据所述背景相孔隙介质的等效体积模量和所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，确定所述非均匀孔隙岩石的体积模量：
其中，为所述非均匀孔隙岩石的体积模量，为所述背景相孔隙介质的等效体积模量，为所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，α为所述背景相孔隙介质的体积比。
本发明实施例中，根据非均匀孔隙岩石中背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算非均匀孔隙岩石的体积模量，具有计算参数简单、可测的优点，无须引入人为调整的系数，因此具有很好的稳定性和适应性。本发明实施例比现有方法更具一般性。本发明实施例可以预测含非均匀孔隙分布的储层岩石体积模量，当孔隙度在空间是均匀分布时，本发明实施例与现有模型(如Hashin模型)的结果是一致的，同时，对于空间非均匀分布的孔隙，本发明实施例计算更为简便、准确。
进一步的，本发明实施例中，观测非均匀孔隙岩石中弹性波传播速度；根据背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算非均匀孔隙岩石的纵波速度；以弹性波传播速度与纵波速度之间的差异为目标函数，根据非均匀孔隙岩石的体积模量，反演非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量，具有计算参数简单、可测的优点，无须引入人为调整的系数，因此具有很好的稳定性和适应性，可以预测含非均匀孔隙分布的储层岩石速度，对于空间非均匀分布的孔隙，本发明实施例计算更为简便、准确，可以提高速度预测精度。当包含无机物孔隙和和有机质孔隙时，本发明实施例特别适合于估算含孔隙的有机质体积含量，不需要知道无机矿物体积模量的精确值就能够估算出固体有机质体积含量，有助于预测包含干酪根等固态有机质的非常规油气储层有机质含量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中非均匀孔隙岩石的体积模量确定方法的流程图；
图2为本发明实施例中含低体积比掺杂物的背景相骨架区域和含高体积比掺杂物的掺杂相骨架区域的示意图；
图3为本发明实施例中包含两种不同骨架物质和非均匀分布掺杂颗粒的单元体示意图，其中图3(a)为本发明实施例中单元体划分为包含两种物质的复合胞体的示意图；图3(b)为本发明实施例中含低体积比掺杂颗粒的等效背景相骨架和含高体积比掺杂颗粒的等效掺杂相骨架示意图；图3(c)为本发明实施例中掺杂物和附近骨架物质组成的复合胞体示意图；
图4为本发明实施例中非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定方法的流程图；
图5为本发明实施例中算例1的均匀孔隙含水碳酸盐岩的体积模量计算结果对比图；其中图5(a)为背景相等效体积模量和掺杂相等效体积模量的对比图；图5(b)为本发明实施例方法计算的孔隙岩石体积模量与Hashin模型体积模量K、Voigt-Reuss模型体积模量KV,KR对比图；
图6为本发明实施例中算例1的非均匀孔隙含水碳酸盐岩的体积模量计算结果对比图；其中图6(a)为背景相等效体积模量和掺杂相等效体积模量的对比图；图6(b)为本发明实施例方法计算的孔隙岩石体积模量K与Hashin模型体积模量K、Voigt-Reuss模型体积模量KV,KR对比图；
图7为本发明实施例中算例2的黑色页岩的体积模量和干酪根体积含量预测结果对比图；图7(a)为黑色页岩的体积模量预测结果对比图；图7(b)为黑色页岩的干酪根体积含量预测结果对比图；
图8为本发明实施例中非均匀孔隙岩石的体积模量确定装置的示意图；
图9为本发明实施例中非均匀孔隙岩石的体积模量确定装置的体积模量计算模块示意图；
图10为本发明实施例中非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定装置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
针对包含无机和有机两类孔隙的非常规储层岩石的体积模量计算问题，考虑到同时包含双重孔隙和非均匀介质的特点，本发明实施例为解决现有技术面临的困难，要具备在不同孔隙参数和固体有机质体积含量参数的情况下计算岩石体积模量的能力。
图1为本发明实施例中非均匀孔隙岩石的体积模量确定方法的流程图。如图1所示，本发明实施例中非均匀孔隙岩石的体积模量确定方法可以包括：
步骤101、确定非均匀孔隙岩石中背景相孔隙介质的岩石物理参数；
步骤102、确定非均匀孔隙岩石中掺杂物孔隙介质的岩石物理参数；
步骤103、根据背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算非均匀孔隙岩石的体积模量。
岩石骨架由无机矿物颗粒骨架和固体有机质材料组成，这两部分物质中的孔隙分布存在不可忽视的差别。具体实施时，先进行两种孔隙骨架物质的岩石物理参数测量。实施例中可以通过岩石物理实验，获得背景相孔隙介质的密度、孔隙度、干骨架弹性模量等参数；可以通过扫描电子显微镜、纳米压痕等技术手段，获得掺杂物孔隙介质的弹性模量、孔隙度、密度等参数。进行两种孔隙骨架物质的岩石物理参数测量，可以大致估计出岩石物理参数分布范围，为精确计算非均匀孔隙岩石的体积模量提供可信参数空间，也是后续步骤的重要基础。岩石物理参数测量过程中，要求制作足够数量的岩芯样本，并且使用不超出合理范围的测量值，以保证实验样本的一致性。
在确定出非均匀孔隙岩石中背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数后，根据背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算出非均匀孔隙岩石的体积模量。实施时可以基于连续背景相孔隙骨架和离散掺杂物孔隙骨架的弹性模量、孔隙度、密度等参数分布范围，进行双重孔隙岩石体积模量预测。
实施例中，进行双重孔隙复合介质体积模量的计算可以包括：
1、计算背景相孔隙介质的等效体积模量；
2、计算掺杂物孔隙介质的等效体积模量；
3、以背景相等效介质-掺杂物等效介质为研究对象，计算整个非均匀孔隙岩石的体积模量。
上述双重孔隙复合介质体积模量计算是基于空间非均匀分布掺杂物模型，该空间非均匀分布掺杂物模型的主要特点包括：
1、把岩石看作是由背景相和掺杂物相两种不同骨架物质(如无机矿物颗粒和固体有机质)组成的混合介质。图2为本发明实施例中含低体积比掺杂物的背景相骨架区域和含高体积比掺杂物的掺杂相骨架区域的示意图。如图2所示，背景相和掺杂物相内部均存在离散的颗粒掺杂物质。背景相掺杂颗粒和掺杂相掺杂颗粒可以是不同的物质。
2、在背景相和掺杂相中，掺杂颗粒的体积含量不相同，如图2所示，也就是说掺杂物的体积比在空间不同区域的分布是不均匀的。
3、在背景相和掺杂相区域，当掺杂颗粒的物理参数设置为真空(或者气体)时，该空间非均匀分布掺杂物模型可以表示具有两种不同孔隙度的孔隙介质。
4、掺杂物和周围背景相物质组成的单元体积可以用内球-外球壳模型表示。图3为本发明实施例中包含两种不同骨架物质和非均匀分布掺杂颗粒的单元体示意图，其中图3(a)为本发明实施例中单元体划分为包含两种物质的复合胞体的示意图；图3(b)为本发明实施例中含低体积比掺杂颗粒的等效背景相骨架和含高体积比掺杂颗粒的等效掺杂相骨架示意图；图3(c)为本发明实施例中掺杂物和附近骨架物质组成的复合胞体示意图。
具体实施时，根据背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算非均匀孔隙岩石的体积模量，可以包括：根据背景相孔隙介质的岩石物理参数，计算背景相孔隙介质的等效体积模量；根据掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算掺杂物孔隙介质的等效体积模量；根据背景相孔隙介质的等效体积模量和掺杂物孔隙介质的等效体积模量，计算非均匀孔隙岩石的体积模量。
具体的，根据背景相孔隙介质的岩石物理参数，计算背景相孔隙介质的等效体积模量，可以包括：根据背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算背景相孔隙介质的等效体积模量。根据掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算掺杂物孔隙介质的等效体积模量，可以包括：根据掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算掺杂物孔隙介质的等效体积模量。
实施例中，可以从地质和地球物理资料出发，根据测井、岩芯和电镜分析实验等手段，得到储层岩石的矿物成分、孔隙度等参数，根据岩石矿物属性获得无机物骨架体积模量即背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量(Km,Gm)、背景相孔隙介质中骨架物质的泊松比为νm、掺杂物孔隙介质中骨架物质的泊松比和固体有机质骨架的弹性模量即掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量估计值，根据切片实验观测获得两种骨架的填充物弹性模量：背景相孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量(Kp,Gp)和掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量的估计值。再结合背景相物质的掺杂颗粒体积比cl和掺杂相中掺杂颗粒体积比ch，获得(1)背景相无机物骨架和掺杂颗粒复合体的等效体积模量，即背景相孔隙介质的等效体积模量，(2)掺杂相有机质固体和掺杂颗粒复合体的等效模量，即掺杂物孔隙介质的等效体积模量。
例如，在计算包含低体积比掺杂颗粒的等效背景相骨架体积模量时，可以在背景相骨架中，根据骨架物质体积模量和泊松比，掺杂颗粒体积模量和体积比，计算出背景相的等效体积模量：
其中，为背景相孔隙介质的等效体积模量，(Km,Gm)为背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量，νm为背景相孔隙介质中骨架物质的泊松比，(Kp,Gp)为背景相孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量，cl为背景相孔隙介质中掺杂颗粒的体积比。
例如，在计算包含高体积比掺杂颗粒的等效掺杂相骨架体积模量时，可以在掺杂相骨架中，根据骨架物质体积模量和泊松比，掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算出掺杂相的等效体积模量：
其中，为掺杂物孔隙介质的等效体积模量，为掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量，为掺杂物孔隙介质中骨架物质的泊松比，为掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量，ch为掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积比。
在计算出背景相孔隙介质的等效体积模量和掺杂物孔隙介质的等效体积模量后，根据背景相孔隙介质的等效体积模量和掺杂物孔隙介质的等效体积模量，计算非均匀孔隙岩石的体积模量。实施例中在计算含非均匀孔隙岩石模型的体积模量时，将掺杂相孔隙区域看作一个等效掺杂物，其体积模量为将背景相孔隙区域看作等效连续背景物质，其体积模量为则整体非均匀孔隙岩石的体积模量可以按下式计算：
其中，为非均匀孔隙岩石的体积模量，为背景相孔隙介质的等效体积模量，为掺杂物孔隙介质的等效体积模量，α为背景相孔隙介质的体积比。
上述实施例中非均匀孔隙岩石体积模量计算具有计算参数简单、可测的优点，无须引入人为调整的系数，因此具有很好的稳定性和适应性。上述实施例比现有方法更具一般性，上述实施例可以预测含非均匀孔隙分布的储层岩石体积模量，当孔隙度在空间是均匀分布时，上述实施例与现有模型(如Hashin模型)的结果是一致的，同时，对于空间非均匀分布的孔隙，上述实施例计算更为简便、准确。
针对包含无机和有机两类孔隙的非常规储层岩石的体积模量中固态有机物体积含量反演问题，考虑到同时包含双重孔隙和非均匀介质的特点，本发明实施例为解决现有技术面临的困难，还基于上述非均匀孔隙岩石的体积模量确定方法，提出一种非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定方法。本发明实施例在岩石样本的波速给定情况下，根据两类骨架物质的岩石物理参数，预测岩石包含固态有机质体积含量。图4为本发明实施例中非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定方法的流程图。如图4所示，该方法可以包括：
步骤401、按上述非均匀孔隙岩石的体积模量确定方法确定非均匀孔隙岩石的体积模量；
步骤402、观测非均匀孔隙岩石中弹性波传播速度；
步骤403、根据背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算非均匀孔隙岩石的纵波速度；
步骤404、以弹性波传播速度与纵波速度之间的差异为目标函数，根据非均匀孔隙岩石的体积模量，反演非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量。
具体实施时，可以通过岩芯实验测量含两种孔隙相物质的岩石波速，得到双孔隙介质的弹性波传播速度。所得到的岩芯中弹性波的传播速度，可以作为反演的观测数据，用以约束模型参数的优化。在给定温度、压力等实验条件下，尽量准确地测量出岩芯波速，可以使后续反演预测获得更加准确的有机质掺杂物体积含量。
具体实施时，可以基于连续背景相孔隙骨架和离散掺杂物孔隙骨架的弹性模量、孔隙度、密度等参数分布范围，计算双孔隙系统波速，实现对掺杂物(固体有机质)体积含量的反演预测。具体的，可以先根据连续背景相和掺杂物相的骨架岩石物理参数，预测出双重孔隙岩石复合介质的体积模量，进而估算出纵波速度，利用反演方法预测出有机质掺杂物的体积含量。实施例中，可以以观测速度和模型计算速度之间的差异为目标函数，基于计算出的双重孔隙复合介质的体积模量，反演掺杂物(如固体有机质)的体积含量。其中可以根据背景相和掺杂相的孔隙度，计算得到对应密度，并计算出弹性波的速度；以观测速度值为约束条件，以掺杂相固体有机质体积比为反演参数，预测储层岩石中纵波速度变化情况。
上述实施例中计算非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量，具有计算参数简单、可测的优点，无须引入人为调整的系数，因此具有很好的稳定性和适应性，可以预测含非均匀孔隙分布的储层岩石速度，对于空间非均匀分布的孔隙，上述实施例计算更为简便、准确，可以提高速度预测精度。当包含无机物孔隙和和有机质孔隙时，上述实施例特别适合于估算含孔隙的有机质体积含量，不需要知道无机矿物体积模量的精确值就能够估算出固体有机质体积含量，有助于预测包含干酪根等固态有机质的非常规油气储层有机质含量。
下面举出两个算例说明本发明实施例中非均匀孔隙岩石的体积模量确定方法和非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定的具体实施。
算例1含水的碳酸盐岩体积模量预测
对于碳酸盐岩含水情况，本例中分别计算了两种情况下的体积模量，(1)背景相和掺杂相具有相同的孔隙度，(2)背景相孔隙度是掺杂相孔隙度的1/2。这里背景相和掺杂相采用了相同的物质属性。第一种情况是单一骨架物质、均匀孔隙度的例子，本例中分别计算并对比了背景相、掺杂相和整体系统的等效体积模量，在对比中还采用了Hashin模型计算方法和Voigt-Reuss上下界计算方法。
岩石参数为：碳酸盐岩基质体积模量Km＝76.8GPa,Gm＝32GPa，图5为三种纵波速度的结果对比。对预测结果的对比分析表明，(1)在背景相物质参数和掺杂相一样，同时两者的掺杂颗粒物质(这里是水)体积比一样时，背景相和掺杂相退化成为相同的孔隙介质，因此体积模量也完全相同(见图5(a))。(2)在单一骨架和单一孔隙度情况下，本发明实施例的速度预测与Hashin模型一致，满足Voigt-Reuss上下界限制条件(见图5(b))。其中图5为均匀孔隙含水碳酸盐岩的体积模量计算结果对比图。横坐标c表示含水体积比，图5(a)为背景相等效体积模量和掺杂相等效体积模量的对比图；图5(b)为本发明实施例方法计算的孔隙岩石体积模量与Hashin模型体积模量K、Voigt-Reuss模型体积模量KV,KR对比图。
第二种情况下，背景相的孔隙度是掺杂相的1/2，其他计算参数一样。此时孔隙度在空间中是不均匀的，形成双重孔隙系统，体积模量预测结果见图6。从图6中可以发现，(1)当背景相和掺杂相中的孔隙度不一样时，两者的等效体积模量不相同，这种差异随着孔隙度的减小而减小，当孔隙度为零时，这种差异消失(见图6(a))。(2)当背景相和掺杂相孔隙度不相同时，即空间孔隙度分布不均匀时，孔隙岩石的体积模量与均匀孔隙情况下体积模量之间有明显差别，Hashin模型结果无法分辨孔隙度不均匀分布引起的模量变化(见图6(b))。(3)当掺杂相中孔隙度ch增加为背景相孔隙度cl的两倍时，系统整体体积模量下降，本发明实施例方法预测到这种变化，Hashin模型采用均匀孔隙分布假设，因此体积模量没有变化。其中图6为非均匀孔隙含水碳酸盐岩的体积模量计算结果对比图。横坐标c表示含水体积比，图6(a)为背景相等效体积模量和掺杂相等效体积模量的对比图；图6(b)为本发明实施例方法计算的孔隙岩石体积模量与Hashin模型体积模量K、Voigt-Reuss模型体积模量KV,KR对比图。
通过上面两种情况的体积模量计算和对比发现，本发明实施例提出的方法能够反映出掺杂物体积含量空间不均匀分布的情况，对于真实储层岩石的复杂孔隙介质体积模量和波速预测具有优势。
算例2预测黑色页岩干酪根含量
利用本发明实施例提出的方法，采用了Vernik and Nur于1992年发表的密西西比河的泥盆纪贝肯黑色页岩的波速观测数据和干酪根含量测量数据(Vernik,L.,andA.Nur.1992,Ultrasonic Velocity and Anisotropy of Hydrocarbon SourceRocks.Geophysics,57,no.5,727-735)，与本发明实施例预测的结果进行对比分析。页岩样本来自威利斯顿盆地2.3公里至3.5公里深的地层，通过对16根黑色页岩岩芯的实验得到超声波速度、密度和孔隙度，通过热解实验得到岩芯的总有机物含量和干酪根含量。
岩石参数为：粘土基质体积模量为Km＝25GPa,Gm＝9GPa，干酪根体积模量Kp＝4GPa,Gp＝1GPa，有机掺杂物的体积含量变化范围是(0，0.44)，无机物背景相物质的体积模量变化范围为Km±0.5Km，背景相骨架和掺杂相骨架中的掺杂物颗粒岩石物理属性都设为零来模拟孔隙空间。
基于实验观测波速的约束，采用非均匀孔隙岩石模型，发现本发明实施例的体积模量和干酪根含量预测结果与实验观察较为符合(图7)，除个别样本外，反演预测结果十分接近于实验观测数据。这表明本发明实施例提出的非均匀孔隙岩石的有机物体积含量预测模型能够较好应用于实际实验数据中，较其他方法具有明显优势。其中图7为黑色页岩的体积模量和干酪根体积含量预测结果对比图。其中图7(a)为黑色页岩的体积模量预测结果对比图；图7(b)为黑色页岩的干酪根体积含量预测结果对比图；Kb代表实验观测速度得到的体积模量，Kinv代表本发明实施例预测得到的体积模量；Kvol代表实验测量得到的干酪根体积含量，αinv代表本发明实施例预测得到的干酪根体积含量。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种非均匀孔隙岩石的体积模量确定装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与非均匀孔隙岩石的体积模量确定方法相似，因此该装置的实施可以参见非均匀孔隙岩石的体积模量确定方法的实施，重复之处不再赘述。
图8为本发明实施例中非均匀孔隙岩石的体积模量确定装置的示意图。如图8所示，该装置可以包括：
背景相参数确定模块801，用于确定非均匀孔隙岩石中背景相孔隙介质的岩石物理参数；
掺杂物参数确定模块802，用于确定非均匀孔隙岩石中掺杂物孔隙介质的岩石物理参数；
体积模量计算模块803，用于根据背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算非均匀孔隙岩石的体积模量。
图9为本发明实施例中非均匀孔隙岩石的体积模量确定装置的体积模量计算模块示意图。如图9所示，体积模量计算模块可以包括：
背景相计算单元901，用于根据背景相孔隙介质的岩石物理参数，计算背景相孔隙介质的等效体积模量；
掺杂物计算单元902，用于根据掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算掺杂物孔隙介质的等效体积模量；
体积模量计算单元903，用于根据背景相孔隙介质的等效体积模量和掺杂物孔隙介质的等效体积模量，计算非均匀孔隙岩石的体积模量。
具体实施时，背景相计算单元901具体可以用于：
根据背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定背景相孔隙介质的等效体积模量；
掺杂物计算单元902具体可以用于：
根据掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定掺杂物孔隙介质的等效体积模量。
具体实施时，背景相计算单元901具体可以用于按如下公式，根据背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定背景相孔隙介质的等效体积模量：
其中，为背景相孔隙介质的等效体积模量，(Km,Gm)为背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量，νm为背景相孔隙介质中骨架物质的泊松比，(Kp,Gp)为背景相孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量，cl为背景相孔隙介质中掺杂颗粒的体积比；
掺杂物计算单元902具体可以用于按如下公式，根据掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定掺杂物孔隙介质的等效体积模量：
其中，为掺杂物孔隙介质的等效体积模量，为掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量，为掺杂物孔隙介质中骨架物质的泊松比，为掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量，ch为掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积比。
具体实施时，体积模量计算单元903具体可以用于按如下公式，根据背景相孔隙介质的等效体积模量和掺杂物孔隙介质的等效体积模量，确定非均匀孔隙岩石的体积模量：
其中，为非均匀孔隙岩石的体积模量，为背景相孔隙介质的等效体积模量，为掺杂物孔隙介质的等效体积模量，α为背景相孔隙介质的体积比。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定方法相似，因此该装置的实施可以参见非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定方法的实施，重复之处不再赘述。
图10为本发明实施例中非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定装置示意图。如图10所示，该装置可以包括：
上述图8所示非均匀孔隙岩石的体积模量确定装置；
弹性波速观测模块1001，用于观测非均匀孔隙岩石中弹性波传播速度；
波速计算模块1002，用于根据背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算非均匀孔隙岩石的纵波速度；
体积含量确定模块1003，用于以弹性波传播速度与纵波速度之间的差异为目标函数，根据非均匀孔隙岩石的体积模量，反演非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量。
综上所述，本发明实施例能够计算掺杂物体积含量在空间非均匀情况下的孔隙体积模量和波速。对于空间均匀分布的掺杂物模型，已经由许多计算法。考虑到含有无机物颗粒和固体有机质组成的储层岩石，两种骨架物质中同时存在两类不同的孔隙(或者填充物)，现有方法面临困难，无法真实反映并准确预测非均匀孔隙系统的体积模量和波场速度。本发明实施例中，掺杂物的属性并未做特殊规定，因此既可以预测不同孔隙度对弹性模量的影响，也可以预测孔隙中含油、气、水等填充物情况下，储层岩石的弹性模量和速度变化。
本发明实施例参数简单，无需人为设定的可调系数。在非均匀孔隙介质模型中，涉及到四类物质，这包括(1)背景相骨架物质(如无机矿物颗粒)，(2)背景相掺杂物颗粒(如无机矿物粒间填充物)，(3)掺杂相物质(如干酪根)，(4)掺杂相中的掺杂颗粒(如干酪根有机孔内部的填充物)。本发明实施例的有机物质体积含量预测，只包含这四种物质的体积模量、泊松比、孔隙度等可测物理量，各种物质的体积比也是计算中涉及到的参数，在有机物体积含量预测中，该参数是未知量，通过实测速度约束反演得到。因此，本发明实施例对于体积模量计算和速度预测更加稳定，更具可操作性。
本发明实施例比现有方法更具一般性。本发明实施例可以预测含非均匀孔隙分布的储层岩石体积模量和速度，当孔隙度在空间是均匀分布时，本发明实施例与现有模型(如Hashin模型)的结果是一致的，同时，对于空间非均匀分布的孔隙，本发明实施例计算更为简便、准确，可以提高速度预测精度。
本发明实施例适用于地震岩石物理领域的孔隙岩石固态有机质体积含量预测，特别是由无机/有机两类孔隙组成的储层岩石，在空间非均匀分布的掺杂物(孔隙)影响下岩石体积模量计算，以及由此衍生的固态有机质体积含量反演。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定方法，其特征在于，包括：
确定非均匀孔隙岩石中背景相孔隙介质的岩石物理参数；
确定非均匀孔隙岩石中掺杂物孔隙介质的岩石物理参数；
根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量；
观测所述非均匀孔隙岩石中弹性波传播速度；
根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的纵波速度；
以所述弹性波传播速度与所述纵波速度之间的差异为目标函数，根据所述非均匀孔隙岩石的体积模量，反演所述非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量，包括：
根据背景相和掺杂相的孔隙度，计算得到对应密度，并计算出弹性波传播速度；以观测所得的弹性波传播速度为约束条件，以掺杂相固体有机质体积比为反演参数，预测非均匀孔隙岩石的纵波速度变化情况。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量，包括：
根据所述背景相孔隙介质的岩石物理参数，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量；
根据所述掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量；
根据所述背景相孔隙介质的等效体积模量和所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述背景相孔隙介质的岩石物理参数，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量，包括：
根据所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量；
根据所述掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，包括：
根据所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，按如下公式，根据所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量：
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按如下公式，根据所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量：
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其中，为所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，为所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量，为所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的泊松比，为所述掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积模量，ch为所述掺杂物孔隙介质中掺杂颗粒的体积比。
5.如权利要求2、3或4所述的方法，其特征在于，按如下公式，根据所述背景相孔隙介质的等效体积模量和所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量：
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其中，为所述非均匀孔隙岩石的体积模量，为所述背景相孔隙介质的等效体积模量，为所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，α为所述背景相孔隙介质的体积比。
6.一种非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量确定装置，其特征在于，包括：
背景相参数确定模块，用于确定非均匀孔隙岩石中背景相孔隙介质的岩石物理参数；
掺杂物参数确定模块，用于确定非均匀孔隙岩石中掺杂物孔隙介质的岩石物理参数；
体积模量计算模块，用于根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量；
弹性波速观测模块，用于观测所述非均匀孔隙岩石中弹性波传播速度；
波速计算模块，用于根据所述背景相孔隙介质和掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述非均匀孔隙岩石的纵波速度；
体积含量确定模块，用于以弹性波传播速度与所述纵波速度之间的差异为目标函数，根据所述非均匀孔隙岩石的体积模量，反演所述非均匀孔隙岩石中固态有机质的体积含量，包括：
根据背景相和掺杂相的孔隙度，计算得到对应密度，并计算出弹性波传播速度；以观测所得的弹性波传播速度为约束条件，以掺杂相固体有机质体积比为反演参数，预测非均匀孔隙岩石的纵波速度变化情况。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述体积模量计算模块包括：
背景相计算单元，用于根据所述背景相孔隙介质的岩石物理参数，计算所述背景相孔隙介质的等效体积模量；
掺杂物计算单元，用于根据所述掺杂物孔隙介质的岩石物理参数，计算所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量；
体积模量计算单元，用于根据所述背景相孔隙介质的等效体积模量和所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，计算所述非均匀孔隙岩石的体积模量。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述背景相计算单元具体用于：
根据所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定所述背景相孔隙介质的等效体积模量；
所述掺杂物计算单元具体用于：
根据所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述背景相计算单元具体用于按如下公式，根据所述背景相孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定所述背景相孔隙介质的等效体积模量：
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所述掺杂物计算单元具体用于按如下公式，根据所述掺杂物孔隙介质中骨架物质的体积模量和泊松比，以及掺杂颗粒的体积模量和体积比，确定所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量：
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10.如权利要求7、8或9所述的装置，其特征在于，所述体积模量计算单元具体用于按如下公式，根据所述背景相孔隙介质的等效体积模量和所述掺杂物孔隙介质的等效体积模量，确定所述非均匀孔隙岩石的体积模量：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |