Sisteme depozitionale resurse minerale asociate

Master II

Lect. Dr. Relu D. ROBAN

Resurse minerale si sisteme depozitionale asociate

• Roci siliciclastice

• Roci argiloase

• Roci evaporitice

• Roci piroclastice

• Roci ferilitice, alitice, manganolitice

• Roci fosforitice

• Roci carbonatice

ALGORITM

- Mineralogie/compozitie

- Textura si structura

- Sistematica

- Sisteme depozitionale

- Diageneza

- Resurse si Utilizari

Roci siliciclastice

• Compozitie

• Textura si structura

• Sistematica

• Sisteme depozitionale

• Diageneza

• Resurse si Utilizari

Compozitie petrografica

Fragmente de silicati (claste)

– Particule alogene: granoclaste si litoclaste

• Fractia usoara: <ρ=2,89 g/cm3

• Fractia grea: >ρ=2,89 g/cm3

– Particule autigene: ciment si particule formate in bazin

Compozitie petrografica

• Particule

- granoclaste: fragmente monocristaline

- litoclaste: fragmente policristaline uni- sau polifazice

• Liant

• Matrice - clastica sidepozitionala

postdepozitionala – deformationala sau reziduu al particulelor casante

• Cimet: particule chimice dimensine

mineralogie

forma

structura

Granoclaste si litoclaste

Granoclaste

Fractia usoara

– Cuart (monocristalin -Qm, policristalin-Qp)

– Feldspati (potasici-Fk, plagioclazi-Fp)

– Mice (muscovit -Mu, biotit-Bi)

– Minerale argiloase (matrice)

Fractia grea

- Minerale grele

Litoclaste

• Plutonice

• Vulcanice

• Metamorfice

• Sedimentare

Textura

Granulometrie:

• Rudite

• Arenite

• Silturi

• Lutite

Forma:

• Sfericitate

• Rotunjime

Structuri

Ale suprafetelor de strat

• suprafete inferioare:

Mecanoglife

• suprafete superioare:

forme de fund: ondulatii, dune, antidune

Interne

• laminatii si stratificatii orizontal paralele

• laminatii-stratificatii incrucisate

• granoclasari normale si inverse

• imbricatii

• masive

Sistematica

Roci ruditice

Mobile

Dupa rotunjime:

o pietrisuri, grohotisuri

Dupa gradul de consolidare:

o Coglomerate, brecii

Dupa structura:

• orto-(clast supported)

• para(matrix suppoorted)

Dupa compozitie:

o oligomictice

o polimictice

Roci arenitice

Mobile

o nisipuri

Dupa gradul de consolidare:

• Gresii, graywackes

Dupa compozitie:

o cuartoase

o feldspatice

o litice

o subfeldspatice

o sublitice

Criteriul compozitional clasificarea ruditelor

Boggs JR, 2009

Criteriul compozitional clasificarea arenitelor

The Pettijohn classification of sandstones, often referred to as a ‘Toblerone plot’ (Pettijohn 1975).

Arenite

Tectofaciesuri

Arii sursa

Analiza nisipurilor actuale din diverse tipuri de bazine sedimentare a condus la delimintarea unor campuri cu multe suprapuneri in diagrama QFL

Yerino si Maynard (1984)

TE=Trailing-edge (margine pasiva), SS=Strike-slip, CA=Continental margin, BA=Back arc, FA=Forearc

Cadrul tectonic si provenienta clastelor Dickinson and Suczec (1979)

Arie sursa Semnificatie tectonica Compozitia modala

Craton interior Interiorul unui bloc continental sau margine pasiva

Gresii bogate in Qt cu raporturi foarte mari Qm/Qp si Fk/Fp

Fundament ridicat (înălţat)

Margine de rift sau falie transformanta

Gresii cuarto-feldspatice (Qm-F) cu continuturi scazute in L si cu raport. Qm/F si Fk/Fp.

Arc magmatic (divizat, nedivizat si tranzitional)

Arc insular sau arc continental Gresii feldspato-litice (F-L) vulcanoclastice cu raport. mari Fp/Fk si Lv/Ls ce trec gradat catre compozitii cuarto-feldspatice reprezentand material erodat din radacinile plutonice ale arcului magm.

Orogen reciclat Complex de subductie sau centura cutata

Gresii cuarto-litice (Q-Lt) cu continuturi scazute in F si Lv si cu rap. variabile Qm/Qp si Qp/Ls

Analiza gresiilor vechi.

Arenite

compozitie vs climat

Studii experimentale pe nisipuri siliciclasice actuale cu provenienta cunoscuta, roci metamorfice si roci plutonice din zone climatice diferite umede si aride a condus la delimitarea unor campuri relativ distincte in diagrama QFL (Suttner, et al., 1981).

Ulterioar diagrama a avut tendinta de a fi standardizata.

Suttner at al., 1981)

Rudite

Continentale

• Desertic

• Glaciar

• Conuri aluviale

• Fluviatil

• Lacustru

Tranzitionale

• Delte

• Estuare

• Litoral deschis

Marin-oceanice

• Self

• Taluz

• Cambie abisala

Sisteme depozitionale asociate

Arenite

Sisteme depozitionale asociate

Continentale

• Desertic

• Glaciar

• Conuri aluviale

• Fluviatil

Tranzitionale

• Delte

• Estuare

• Litoral deschis

Marin-oceanice

• Self

• Taluz

• Cambie abisala – lobi turbiditici

Sisteme depozitionale asociate

Diageneza siliciclastitelor etape si procese

Boggs, Jr. (2009)

Resurse si utilizari

• Materiale de constructii

• Industria sticlei

• Filtre

• Fracturare hidraulica

• Abrazivi

• Pietrisuri

• Nisipuri

• Placersuri – minerale grele

Nisipuri cuartoase utilizari

• Fracturare hidraulica

• Industria sticlei

• Filtre

Nisipuri pentru fracturarea hidraulica

• Introducere

• Standarde (API)

• Ocurente in lume

• Resurse in Romania

Zacaminte neconventionale

necesita fisurare hidraulica

Ce reprezinta nisipul pentru fracturarea hidraulica (frac sand)?

FRACTURAREA HIDRAULICA

• Utilizata pt prima data in USA in anii 1940

• Fracturarea accentueaza curgerea gazului si titeiului spre gaura de sonda (well stimulation )

• Fluidul este pompat in foraj sub presiune pentru a fractura roca

• Se formeaza o retea inter-conectata de fracturi si spatii poroase care accentuaza curgerea de titei si gaz spre gaura de sonda

• Se foloseste in aprox. 90% din forajele din USA.

Fisurarea hidraulica

• George Mitchell, “parintele -shale gas” a lucrat mult

timp (18 ani) pentru solutionarea problemelor de fracturare

• 1981: Mitchell Energy a explorat Barnett Shale, Texas

• Roca argiloasa avea porozitate buna dar permeabilitatea slaba – fara valoare comerciala

• La inceputul anilor 1990 a fost utilizata fracturarea hidraulica (numai apa) pentru a ”uni” spatiile poroase

Ce reprezinta nisipul pentru fracturarea hidraulica (frac sand)?

• Problema: cand pomparea este finalizata, noii porii formati se

inchid • Solutie: adaugarea nisipului in fluidul de fracturare. Atunci

cand presiunea apei din pori scade atunci particulele nisipoase sustin (”prop” ) fracturile deschise. A fost introdus termenul “proppants”:

• Particulde de dimensiuni arenitice rezistente mecanic – naturale: nisip cuartos – sintetice:

• “ceramica” = sintered bauxite, kaolin, alumina • resin coated

• Mitchell Energy a forat orizontal in Barnett Shale

• Se obtine o lungime multiplicata a zonei productive

Daca unitatea are 100 ft grosime atunci zona productiva are 100 ft in foraj vertical

Dar daca forajul este dirijat orizontal 5000 ft prin formatiunea tinta, zona productiva este de 50 ori mai lunga

Fracking with proppants + horizontal drilling = successful exploitation

Compozita fluidului de fracturare

Apa

Marcellus shale Consum mediu nisip/foraj • 1-2 m lbs nisip/foraj 1,8-2,7 mii tone

• 97-99% apa • 3% nisip/aditivi • 4-5m gal water= 15-19m litri

Istoricul fracturarilor hidraulice

Estimarea consumului de gaz in USA pana in 2035

48 bazine de”shale gas in 32 tari

Recent news headlines from World Oil 3. • “Algerian shale gas potential equal to that of US”

• “Chevron to explore for shale gas in China, Argentina, Romania”

• “USGS releases first shale oil-gas resource assessment for Alaska North

Slope”

The future’s bright! The future’s frac sand!

Nisipuri pentru fracturarea hidraulica

Standarde: American Petroleum Institute API RP 56 • Cuart (SiO2)% • Granulometrie • Rotunjime si sfericitate • Rezistenta mecanica • Solubilitate in acid • Turbiditate

Cuart API ~ 99% SiO2

Granulometrie

90% = 20-70 mesh sau 0,212-1,7 mm

Morfometrie

Indexul Kumbein: Sf>0,6, Ro>0,6

• Crush resistance (Rezistenta la incarcare-spargere) – mare!:

Stress compresiv -4000-6000 psi max. [procente de greutate]

psi = pounds per square inch

max

– 14% pt 20-40, 16-30 mesh

– 10% 30-50 mesh

– 6% 70-40 mesh

– 20% 6-12 mesh

0, 4536 kg =1 lbs =1 livra-1 pounds 6000 pounds =2,7 t

Solubilitate in acid- mica: • Determina materialul necuartos din nisipul de fracturare

• O cantitate specifica masurata de nisip este pusa intr-o solutie constand in

12 parti HCl si 3 parti HF, la temperatura si pentru o perioada de timp standard.

• Nisipul este apoi uscat.

• Se calculeaza diferenta de greutate

• Specificatiile API pentru cantitatea pierduta nu depasesc: • 2.0% pt 6 x 50 mesh si • 3.0% pt 40 x 70 and 70 x 140 mesh pentru a indeplini canlitatea de FS

Turbiditate: Cantitatea de fractie fina- silt-lutit in nisip – de regula este spalata in timpul procesarii

Ottawa and Brandy Sand

Ocurente in lume

Nisip invelit in rasina

Resin coated 40/70

Alternative

China ceramic propants Zhengzhou Vidar Water Industrial Co., Ltd. China Manufacturer

Marime si forma uniforma Sporeste conductivitatea

Ceramica

Nisip natural Sortare mai

slaba si forme mai neregulate, strans impachetate Conductivitate mai mica

Natural v Synthetic proppants

Mei Yang, Lead Research Engineer, Cadre Poppants Inc. Feb 2012

“For tight gas reservoirs, we correct the prejudice that natural sand proppants cannot be applied to deeper reservoirs by showing results that are superior to those of manmade proppants. Natural sands proppants have a much larger range of applicability than previously thought.”

….si totusi

Producatori

Majori Badger Mining Carmeuse Ind. Sands div. (just sold to Pioneer) Carbo Ceramics (ceramic) Fairmount Saint-Gobain (ceramic) Unimin US Silica

Minori Chieftain Sand & Proppants Heemskirk Canada Progressive Railroad Northern Frac Smart Sand Western Permian St. Peter Sand CCS Silica

Atlas Resins & Proppants Cadre Proppants Canadian Proppants CanFrac Sands Cardinal C-E Minerals (ceramic) Completion Sand EOG (captive) Erna Frac Sand Hi Crush J5Global

Manley Bros Mississippi Sand LLC Natural Resource Partners Ozark Pattison Sand Preferred Sands Premium Bluebird Sand Proppant Specialists (Frac Tech) ProSands Sargent Sand Superior Silica

Noi producatori din USA

Cantitatile de nisip cuartos folosit in USA pentru operatiunea de fracturare – milioane tone , 2000-2011

Pioneer Natural Resources Company (PNR -NYSE: PXD ) Carmeuse Ind. Sands (CIS)

PNR’s estimated 2013 proppant requirements pre-CIS buy

Prognoze pentru resurse si necesitati

Nisip grosier : 20/40, optim pentru conductivitate in foraje adanci seen as optimal for conductivity, Nisip fin : 40/70, 70/140, optim pentru foraje orizontale - shale gas

Ceramic: Unit Price: US $ 350 / Tonne

PRETURI

Ottawa Sand Brandy Sand

• Saint Peter Fm (Illinois)

• Jordan Fm. (Minnesota)

• Galeville Fm. (Wisconsin)

• Ironton Fm. (Wisconsin)

• Disponibil 12-70mesh

• Hickory Fm. (Texas)

• Disponibil 8-40mesh

Inapoi la geologie …. Sisteme depozitionale

Brandy Sands

• Stratigrafie: Riley Formation Hickory Sandstone Member • Varsta: Cambrian • Grosime: 150 m grosime • Discontinuitate in baza peste un fundament

granitic • Petrofaciesuri: gresie feldspatica si

subfeldspatica, pe alocuri gresie cuartoasa- diagenetica, subordonat conglomerate, silturi si mudstone

• Sisteme depozitionale: costier, estuare, litoral, self

• Arii sursa: fundament granitic, sisteme eoliene si fluviatile

• Diageneza: Slab cimentata, ingropare maxima- 1000 m. Ciment cuartos de supracrestere

• Exploatare: cariera, la 15-20 m de suprafata

8

Cu acordul dr. Cistina Panaiotu Brandy Sands

Exploatarea in cariera

Cu acordul dr. Cistina Panaiotu Brandy Sands

Cu acordul dr. Cistina Panaiotu Brandy Sands

Ottawa Sand

Stratigrafie: St Peter Fm.

Varsta: Ordovician

Grosime: max 250 m grosime

Petrofaciesuri: gresie cuartoasa

Sisteme depozitionale:

• fluviatil

• campie litorala

• cune eoliene

Nisipuri pentru fracturarea hidraulica

• Resurse in Romania: studiu de caz

• Documentare - sursa: ANRM, Procema,Universitatea Bucuresti (arhiva personala)

• Baza de date

Scop: inventarierea zacamintelor de nisip din romania si gasrea unor combinatii Care sa satisfaca standardele penru fracturarea hidraulica

Halliburton Aghires

Miorcani

Cuarţ 94-98%

Cuarţ 90% Feldspaţi 2-3 % Mice 1-3 %

Opal, calcedonie – comportament faza criptocritalin – amorfa

Incluziuni rare Incluziuni frecvente Impurităţi carbonatice şi argiloase

Contur foarte rotunjit la rotunjit Ro = 0,9-0,7

Contur subangular-angular, Suprafeţe neregulate însoţite de concavităţi Ro = 0,6-0,3

Conture mamelonare, forme concreţionare; suprafeţe neregulate

Granule izometrice Sf = 0,8-1

Granule izometrice, elongate Sf =0,7-0,4

Granule izometrice

Rezistenţă ridicată Rezistenţă redusă la presiuni

Rezistenţă redusă la presiuni

Standarde mineralogice si tehnologice ale nisipurilor utilizate de PETROM SA- 2001, inainte de inceperea studiului

Ocurente de nisip in Romania

Identificate 230 ocurente si zacaminte dee nisipuri cuartoase

in 9 unitati geologice majore

Unitatile geologice ale Romaniei si principalele zone

cu zacaminte de nisip cuartos

CO MA DP BT PM CR CM DG DB

Valenii Munte

(Franghieti, gura Vitioarei,

Copaceni)

Buzau (Valea Rea, Crivineni

Valea Sibiciului)

Suceava (Humor, Ilisesti,Plesa)

Aghires Fagetul Ierii

Faget (Jupanesti,Faget

Scaune)

Miorcani si Hudesti

Anastasiu et al., 2001

Muntii Apuseni-Bazinul Transilvaniei Fagetul Ierii –Eocen- nediferentiat Aghires – Strate de Cetate Oliocen Delte grosiere-fluviatil

Fagetul Ierii

Aghires

Carpatii Orientali Oligocen- Aquitanian Gresie de Kliwa superioara

Lobi turbiditici

Depresiunea Panonica Faget -Scaune Pliocen- nediferentiat Sistemul litoral- shoreface

Platforma Moldoveneasca Miorcani Badenian – Nisipuri de Miorcani

Distributia cuartului

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Qz min

Qz max

Nisipul se apropie de standardele API

-1 0 1 2 3 4 5

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Grafic centralizator al poligoanelor de frecventa

ale probelor analizate Vg3

Vc7

Vf3

Sp2

Fj7

Fs2

Fi4

Ag4

Bh2

Bm1

Pr1

Pc1fre

cventa

%

phi

Nisipul este mai fin decat standardele API

API

Anastasiu et al., 2001

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0

20

40

60

80

Reprezentarea grafica centralizata a procentelor indicilor

morfometrici ai rotunjimii - probele carora li s-a facut si

analiza granulometrica

Vc7

Vg3

Vf3

Sp2

Fj7

Fs2

Fi4

Ag4

Bh2

Bm1

Pr1

Pc1

frecventa

%

Indici ai rotunjimii

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0

20

40

60

80

Reprezentarea grafica centralizata a procentelor indicilor

morfometrici ai sfericitatii - probele carora li s-a facut si

analiza granulometrica

Vc7

Vg3

Vf3

Sp2

Fj7

Fs2

Fi4

Ag4

Bh2

Bm1

Pr1

Pc1fr

ecventa

%

indici ai sfericitatii

Nisipul nu corespunde standardelor API

API

Anastasiu et al., 2001

Concluzie

• Compozitie – da

• Granulometrie- nu

• Randament pe sita- nu

• Morfometrie- nu

• Rezerve- nu

Standarde API

Nisip Romania

Placersuri

• Mineralogie

• Modalitati de transport si acumulare

• Sisteme depozitionale

Placersuri

• Mineralogie

• Modalitati de transport si acumulare

• Sisteme depozitionale

• Nemetalifere:

Zircon

Granati

• Metalifere

Aur

Oxizi- ex. Fe, Ti

• Mineralogie

• Modalitati de transport si acumulare

• Sisteme depozitionale

Carling & Breakspear (2006)

Modalitati de transport si acumulare

Sortare gravimetrica Sortare hidraulica

Carling & Breakspear (2006)

Sortare hidraulica – antrenarea clastelor in miscare

Carling & Breakspear (2006)

Zone de acumulare: stratul activ

Dune si ondulatii hidraulice- distributia si redistributia mineralelor grele In functie de conditiile hidraulice

Detalii procese de transport si acumulare – minerale grele si forme de fund

Placersuri

Continentale

• Desertic

• Glaciar

• Conuri aluviale

• Fluviatil

• Lacustru

Tranzitionale

• Delte

• Estuare

• Litoral deschis

Marin-oceanice

• Self

• Taluz

• Cambie abisala

• Mineralogie

• Modalitati de transport si acumulare

• Sisteme depozitionale