Temperature effect on rock mechanical properties of Canadian gas shale using instrumented indentation testing

RÉSUMÉ: Le nord de la Colombie-Britannique abrite d'importantes zones de gaz de schiste où les essais de mécanique des roches sont essentiels pour la conception de la fracturation hydraulique et l'évaluation des réservoirs. Toutefois, les essais d'indentation standard sont généralement réalisés à température ambiante, alors que les conditions in situ dépassent 100 °C à des profondeurs de 2 à 3 km. Cette étude examine les roches des formations de Doig et de Montney à une profondeur d'environ 2 km, en utilisant des essais d'indentation instrumentés à 20 °C, 50 °C, 100 °C et 150 °C. Les résultats montrent des changements significatifs dans les propriétés mécaniques et le comportement de fluage avec la température. De 20 °C à 50 °C, la dureté et le module d'Young diminuent sensiblement, tandis que la déformation augmente. Entre 50 °C et 150 °C, les changements sont moins prononcés, bien que la minéralogie influe sur les tendances : les échantillons de Doig riches en carbonates présentent de légères augmentations de la rigidité, tandis que les échantillons de Montney riches en quartz-feldspath présentent des diminutions. Le fluage pendant le maintien de la charge correspond à un modèle de Burgers modifié, avec des paramètres (k1, k2, η1, η2) qui diminuent fortement de 20 °C à 50 °C, puis se stabilisent. Ces paramètres sont en corrélation positive avec la dureté Martens.

ABSTRACT: Northern British Columbia hosts major shale gas plays where rock mechanics testing is essential for hydraulic fracturing design and reservoir evaluation. However, standard indentation tests are typically conducted at room temperature, while in-situ conditions exceed 100 °C at depths of 2–3 km. This study examines Doig and Montney Formation rocks from ~2 km depth, using instrumented indentation testing at 20 °C, 50 °C, 100 °C, and 150 °C. Results show significant changes in mechanical properties and creep behaviour with temperature. From 20 °C to 50 °C, hardness and Young’s modulus decrease notably, while deformation increases. Between 50 °C and 150 °C, changes are less pronounced, though mineralogy affects trends: carbonate-rich Doig samples show slight increases in stiffness, while quartz-feldspar-rich Montney samples show decreases. Creep during load holding fits a modified Burgers model, with parameters (k1, k2, η1, η2) sharply decreasing from 20 °C to 50 °C, then stabilizing. These parameters positively correlate with Martens hardness.