水力压裂技术是目前石油天然气领域广泛采用的增产手段,而石油压裂支撑剂的性能直接关系到油气的增产效果。鉴于非常规油气藏特殊的开采条件,未来的压裂支撑剂必然向着低密度高强度的方向发展。陶粒支撑剂因其具有较好的球形度和较高的强度而备受青睐,但是传统陶粒支撑剂的密度较大并且成本较高,导致其应用受到了一定的限制。本文的研究目的是利用煤系高岭土为原料制备出低密度高强度的陶粒支撑剂。本文主要使用三种方法来达到研究目的,首先是在煤系高岭土中分别添加Zn O和钾长石作为助剂;其次,在原料中添加WO₃作为莫来石晶须生长促进剂,另外在原料中掺杂具有较高强度的Zr O₂超短纤维作为第二增强相;最后对陶粒支撑剂进行表面覆膜处理,优化其性能。研究结果表明:(1)Zn O的加入与原料中的Si O₂和Al₂O₃形成三元系共熔微区,能够有效降低陶粒的烧结温度。添加适量的Zn O能够提升样品的致密化程度,增加陶粒支撑剂的抗破碎能力。钾长石利用自身在相对较低温度下熔解的特点,能够有效促进陶粒烧结,填充内部孔隙,提高陶粒强度。(2)在原料中添加WO₃,为莫来石晶须的生长提供了合适的气相环境,适量的WO₃能够有效促进莫来石的轴向生长,显著降低了样品的视密度,并且所形成的莫来石网状结构充当陶粒的骨架,大大增强了陶粒支撑剂的抗破碎能力。另外,在原料中掺杂的Zr O₂超短纤维虽然对陶粒支撑剂的密度造成不利影响,但仍能显著改善陶粒的强度。(3)利用3D模型阐述了覆膜处理降低密度提高强度的作用机理。覆膜处理将陶粒表面的气孔封闭,大大降低了其密度,并且改变了颗粒的接触方式,还有“锚栓”结构的存在能够有效分散载荷,显著提升了覆膜陶粒的抗破碎能力,最高破碎等级可达15K。相比于未覆膜陶粒,覆膜陶粒支撑剂的体积密度下降了11.32%,视密度下降了14.73%,69 MPa闭合压力下的破碎率仅为1.16%,下降了96.51%。本文使用低铝含量的煤系高岭土为原料,通过加入合适的添加剂或对陶粒进行覆膜处理,成功的制备出了低密度高强度的陶粒支撑剂,并且有效控制了支撑剂的生产成本,同时也为支撑剂生产厂家提供了可供参考的解决方案。