Quantifying the effect of mineralogical composition on mechanical properties of Montney siltstone using micro-indentation tests and SEM-EDS analysis

Huan Yu, Wenbo Zheng, Jianhui Zhou, Albert Cui

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoCalgary 2022: 75th Canadian Geotechnical Conference

Session: W7

RÉSUMÉ: Les propriétés mécaniques de la roche sont des paramètres d'entrée importants pour la conception du forage et la récupération des hydrocarbures non conventionnels des formations étanches. La composition minéralogique des roches réservoirs étanches peut changer de manière significative le long des profondeurs et latéralement pour une formation étanche, ce qui affecte leurs propriétés mécaniques. Alors que les tests de compression traditionnels coûteux sur des échantillons de roche de taille standard peuvent fournir des paramètres mécaniques de roche en vrac, mais peu d'informations sur sa relation avec la composition minéralogique à une micro-échelle. En utilisant des échantillons de siltstone de la zone gazière de Montney comme exemple, cet article vise à quantifier l'influence de la composition minéralogique des roches sur leurs propriétés mécaniques à l'aide de tests de micro-indentation et d'analyse SEM-EDS. Neuf échantillons de siltstone en forme de disque ont été prélevés à partir de carottes de Montney forées dans le NE de la Colombie-Britannique et neuf tests de micro-indentation ont été effectués sur chaque échantillon de roche. En utilisant les courbes force-déplacement d'indentation obtenues, le module de Young local et la dureté Brinell à chaque indentation ont été déterminés. Ensuite, les analyses par microscopie électronique à balayage (SEM) et spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) des sites d'indentation ont été menées pour déterminer la texture minéralogique et les distributions chimiques/élémentaires localement pour chaque indentation. (XRD), les distributions chimiques à chaque empreinte locale ont été utilisées pour déterminer la composition minéralogique quantitative à chaque site d'empreinte en utilisant une méthode des moindres carrés. La composition minérale locale déterminée est analysée par rapport au module de Young local et à la dureté pour chaque empreinte, conduisant à une meilleure compréhension du quartz + feldspath, des minéraux argileux et du carbonate affectant les propriétés mécaniques des roches dans les formations étanches.

ABSTRACT: Rock mechanical properties are important input parameters for designing drilling and recovering unconventional hydrocarbons from tight formations. Mineralogical composition of tight reservoir rocks can change significantly along depths and laterally for a tight formation, which affects their rock mechanical properties. While traditional expensive compressional tests on standard-sized rock samples can provide bulk rock mechanical parameters, but little insights on its relationship to mineralogical composition at a micro-scale. Using siltstone samples from the Montney gas play as an example, this paper aims to quantify the influence of rock mineralogical composition on their mechanical properties using micro-indentation tests and SEM-EDS analysis. Nine disk-shaped siltstone samples were made from Montney cores drilled in NE BC and nine micro-indentation tests were conducted on each rock sample. Using the obtained indentation force-displacement curves, the local Young's modulus and Brinell hardness at each indent were determined. Then the scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive spectroscopy (EDS) analyses of the indentation sites were conducted to determine the mineralogical texture and chemical/elemental distributions locally for each indentation. Based on the known mineral types from X-ray diffraction analysis (XRD), the chemical distributions at each local indent were used to determine the quantitative mineralogical composition at each indent site using a least-square method. The determined local mineral composition is analyzed against the local Young's modulus and hardness for each indentation, leading to an improved understanding of quartz+feldspar, clay minerals, and carbonate in affecting rock mechanics properties in tight formations.

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