ABSTRACT: This paper summarizes some results of detailed geotechnical studies on two shales: Queenston and Pierre I. The emphasis is on physical and mechanical properties of these shales under typical stress and moisture content conditions encountered in petroleum boreholes. Included is mineralogy, changes in moisture content with relative humidity, swelling potential, p-wave velocities under low-stress conditions, and mechanical properties. The effect of moisture content on strength has been also investigated. Hydrostatic and triaxial compression tests performed on the Queenston shale have been designed to gather data necessary for non-linear modelling of borehole stresses.
RÉSUMÉ: Des etudes geomecaniques à profondeur sur deux argiles, Queenston et Pierre I, sont detaillees ici-dans. Les proprietes physico-mecaniques sous contraintes et de teneurs en eau characteristiques des conditions rencontrees dans les forages petrolieres ont ete etudiees, y inclus le gonflage, la reponse dielectrique, la mineralogic, les velocites aooustiques compressionelles et en cisaillement, etc. Pour I'argile gonflante, le Pierre I, la relation entre le teneur en eau et la resistance compressionelle etait delimitee, Plusieurs essais triaxiaux sous des chemins de contraintes varies etaient utilises pour etudier les effets non-lineaires de I'argile Queenston, en vue de faire des calculations de stabilite pour des forages petrolieres.
ZUSAMMENFASSUNG: In vorliegendem Bericht wurden manche Ergebnisse der geotechnischen Untersuchungen vorgestellt, die auf zwei Schiefergesteinen durchgefuehrt wurden: Queenston und Pierre 1. Der Nachdruck wurde auf die mechanischen Eigenschaften der Schiefer bei den typischen Spannungsfeldem und der Feuchtigkeit gelegt, die in den Erdölbohrlöchem zu treffen sind. Man hat beruecksichtigt: mineralogische Angaben, Änderungen der Feuchtigkeit bei angegebener relative Feuchte, Aufquellung und Geschwindigkeit der P-Welle bei schwachen Spannungen und mechanische Eigenschaften. Es wurde auch der Einfluß der Feuchtigkeit auf die Bestandigkeit ueberprueft. Das Ziel der Proben des dreiachsigen Drucks, die auf den Schiefem aus Queenston durchgefuehrt wurden, war das Sammeln der Daten, die zum nichtlinearen Modellieren der Spannungen in der Tietbohrung notwendig sind.
INTRODUCTION Almost all borehole instability problems encountered in shale formations are related to mechanical degradation, which is related to natural stress, pressure, temperature, and mechanical and geochemical properties, combined with mud filtrate land shale electrochemical interactions. These lead to alterations in mechanical response during drilling, changed stress distributions, and variations in pore pressures. As part of a larger goal of better understanding shales in the deep borehole environment, the Pierre I and the Queenston Shale (PS and QS) have been studied at the University of Waterloo. Pierre I is a swelling shale, whereas Queenston is a non-swelling shale; geochemistry is more vital in the former, mechanics in the latter. Herein, we focus on shale physico-mechanical properties, using results of different tests.
BACKGROUND MATERIAL The PS was chosen as an end member of the swelling (gumbo, smectitic) shales that are encountered m drilling, often resulting in stuck pipe. It has a clay/quartz ratio of 4.7. The non-swelling QS was chosen because wellbore instability problems, particularly massive spalling, are often encountered in quartz-illite shales.
The PS is a "shallow quarry" or "outcrop" Upper Cretaceous marine shale from the Great Plains of the northwestern United States (Chenevert, 1990; McKown et a1., 1982).