Een generische prospectiestrategie voor industriële zanden met grote mechanische sterkte.

Zand is alomtegenwoordig, maar komt als natuurlijke grondstof voor in verschillende hoeveelheden en met sterk uiteenlopende eigenschappen. Net daarom is en blijft het een belangrijk product in de huidige en toekomstige samenleving. Hoogwaardig kwalitatief zand met industriële toepassingen is echter eerder zeldzaam omwille van een aantal strikte chemische en fysische opgelegde eigenschappen. Een aantal van deze eigenschappen kunnen artificieel bijgestuurd worden tijdens industriële verwerking, maar een belangrijk deel wordt bepaald door het geologisch voorkomen en de graad van sedimentologische maturiteit van de afzetting zelf.

Hydraulische fracturatie van olie en gas reservoirs is een hoogwaardige toepassing waarbij kwartszanden gebruikt worden als ‘frac zanden’ om geïnduceerde breuken in het reservoirgesteente open te houden en permeabele doorgangen richting boorgat te creëren. De specificaties voor ‘frac zanden’ zijn bijgevolg zeer strikt aangezien ze de formatie druk moeten kunnen weerstaan en de conductiviteit moeten behouden onder de specifieke fysische en chemische omstandigheden. De specificaties voor ‘frac zanden’ bevatten daarom aanbevelingen naar korrelgrootte verdeling, korrelvorm, zuur oplosbaarheid, turbiditeit en breek-weerstand. Een ideaal ‘frac zand’ bestaat volledig uit goed afgeronde, monokristallijne kwarts korrels, en heeft een brede korrelgrootte verdeling, die in verschillende zeefklasses kan opgedeeld worden.

In navolging van de schalie gas ontwikkelingen, begon de ‘frac zand’ markt exponentieel te groeien vanaf 2005, met de jaarlijkse ontginning van tientallen miljoenen tonnen ‘frac zanden’ in de VS als gevolg. Ook in de rest van de wereld wordt het schalie gas potentieel herkent, hoewel op kleinere schaal, waardoor deze studie betracht een sedimentologisch model te ontwikkelen voor de vorming van goed afgeronde, kwartszanden. Dit generisch model zal de toekomstige exploratie naar ‘frac zanden’ ondersteunen.

Alvorens de studie van de kwartszanden aan te vatten, werd er in dit werk eerst een 2D dynamische beeldanalyse techniek (CAMSIZER, Retsch Technology) verder ontwikkeld om een objectieve korrelvorm meting uit te voeren op zandstalen. Bolvormigheid en afrondingsgraad, de vormparameters van belang voor ‘frac zanden’, werden in het systeem geïmplementeerd en gekalibreerd aan de hand van de traditionele analysetechniek. Dit beeldanalyse toestel combineert nu, op een geautomatiseerde en accurate wijze, de meting van korrelgroottes en korrelvormen, wat een zeer interessante ontwikkeling is voor industriële laboratoria.

De vorming van goed afgeronde kwartszanden kan toegeschreven worden aan een veelvoud van processen, die elk aspect uit een sedimentaire cyclus kunnen belichten. Het sedimentologisch model voor deze zanden wordt in de huidige studie dan ook ontwikkeld aan de hand van 7 gevallenstudies, die 13 verschillende afzettingen bevatten, in combinatie met een literatuurstudie over de genese van kwarts zanden.

Tijdens deze studie van kwartszanden werd een methode verder uitgewerkt om de specifieke oppervlakte texturen die op kwartskorrels zichtbaar zijn via SEM te interpreteren naar sedimentaire fases en transport regimes. De studie van deze microtexturen toonde aan dat afronding veroorzaakt wordt door eolisch saltatie transport en dat alle andere omgevingen hiervoor niet in aanmerking komen omdat ze enerzijds niet energetisch genoeg zijn om abrasie te veroorzaken, of anderzijds te energetisch zijn zodat ze fragmentatie veroorzaken. Deze techniek toonde vervolgens ook aan dat sediment eigenschappen, en in het bijzonder een ronde korrelvorm, met succes worden overgenomen en bewaard in opeenvolgende cycli.

De eerste gevallenstudie onderzocht de Jordan, Wonewoc en St. Peter Formaties (VS) en toonde aan dat hun uitzonderlijk hoge graad van sedimentologisch maturiteit toegeschreven kan worden aan een ideale combinatie tussen herkomst, transport, afzetting, stratigrafie, tektonische en paleogeografische setting, bekken ontwikkeling en sediment bewaringspotentiaal. In tegenstelling tot deze formaties, werd een lagere graad van sedimentologische maturiteit vastgesteld voor het Hickory Lid van de Riley Formatie. Dit wordt verklaard door een metamorf herkomstgebied, een grover korrelgrootte en een kleinere transport afstand.

De Graafwater en Peninsula Formaties (Zuid-Afrika), bestudeerd in de tweede gevallenstudie, vormden in een gelijkaardige setting als de zanden uit de Jordan, Wonewoc en St. Peter Formaties, maar werden vervormd en gecementeerd tijdens de Cape gebergtevorming, waardoor hun bruikbaarheid als losse sedimenten verdween.

De Franse Fontainebleau Formatie (Gevallenstudie 3), werd geïdentificeerd als een zeer zuiver kwartszand, gerecycleerd uit een mature stock van sedimenten en bijkomend gezuiverd door in situ alteratie in de buurt van de ontsluitingen. Ondanks de duidelijke eolische signatuur in de top van de formatie, werden de fijnkorrelige sedimenten niet afgerond, wat erop wijst dat eolisch suspensie transport inefficiënt is in afronding van korrels.

De vierde gevallenstudie bestudeerde de Belgische Neogene kwartszanden van de Mol en Bolderberg Formaties. Gelijkaardig aan de Fontainebleau Formatie, wordt compositionele maturiteit toegeschreven aan grootschalige sediment herwerking en in situ uitloging door humuszuren afkomstig uit de tussenliggende ligniet pakketten. De sedimenten van beide formaties werden niet goed afgerond bij gebrek aan eolische transport fases.

In de vijfde gevallenstudie werd een volledig nieuw stratigrafisch tijdvak geëvalueerd. De Pleistocene Landes en Castets Formaties (Frankrijk) vormden in een periglaciaal bekken, gelijkend op een erg landschap en gedraineerd door anastomoserende rivieren. Kortstondige emersies van het sediment zorgden voor eolische herwerkingen en korrel afronding. Naast sediment herwerking, werd ook vriesverwering aangeduid als mechanisme voor compositionele maturiteit.

Een volgende Pleistocene, periglaciale afzetting (Gevallenstudie 6), werd onderzocht in de Poolse Bukowno afzetting. Deze vormde in het drainage bekken van de noordelijke ijskappen en vertoont microtexturen die wijzen op eolisch en hoogenergetisch fluviatiel transport, gelijkaardig aan de vorige afzetting. Dit bevestigt dat een dergelijke periglaciale setting bijdraagt aan de vorming van goed afgeronde kwartszanden, wat interessant is naar Europese exploratie perspectieven.

In de laatste gevallenstudie werd de Nebolchi afzetting (Rusland) onderzocht. De hoge graad van sedimentologische maturiteit werd toegeschreven aan een regionaal hiaat die een continentale fase introduceerde, waarin wind werking het sediment kon afronden, gevolgd door een herwerking van deze sedimenten in intertidaal milieu onder tropische omstandigheden. Een dergelijke setting vertoont veel gelijkenissen met deze uit de eerste gevallenstudie.

Uit de onderzochte gevallenstudies werden 33 sedimentaire processen gesynthetiseerd die kwalitatief werden beoordeeld in functie van hun bijdrage aan sedimentologische maturiteit. Vervolgens werd een kwantificatie uitgewerkt, door een verwachtingswaarde en standaarddeviatie aan elk proces toe te kennen. Deze werd gevalideerd aan de hand van de breek-weerstand test. Ten slotte, werden via een probabilistische aanpak enkel de relevante processes weerhouden.

Deze gevalideerde kwantificatie biedt een hulpmiddel in het selectieprocess van exploratie mogelijkheden, op basis van het geologische kader. Het maakt onderscheid tussen gunstige en ongunstige geologische voorkomens en schat het mogelijke frac zand potentieel van een afzetting. De voorgestelde kwantificatie is gebaseerd op slechts 13 afzettingen, en moet dus gebruikt worden als een dynamisch model dat gradueel verfijnd wordt met nieuwe afzettingen en inzichten.