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水力压裂是提高油气产量的重要工程技术,压裂支撑剂是决定压裂成败和压裂效果的关键材料。目前广泛运用的高品位铝矾土基支撑剂以高强度刚玉相为主,支撑剂抗压强度高,但密度大、生产成本高;如何降低高强度支撑剂的生产成本、增加压裂施工经济效益成为一个重要议题。我国低品位铝矾土储量丰富,价格便宜,开发高性能低品位铝矾土基支撑剂有利于降低压裂施工成本。低品位铝矾土基支撑剂以莫来石相和玻璃相为主,其组成与高品位铝矾土基支撑剂截然不同。为提高低品位铝矾土基支撑剂性能,需开发出适用于制备高性能低品位铝矾土基支撑剂的新技术。本论文以氧化铝含量为40%和55%的两种低品位铝矾土为开发对象,成功制备出高性能低品位铝矾土基压裂支撑剂,并采用XRD、SEM、EDX等测试技术研究了结构组成与性能的关系,探讨了支撑剂增强机理和烧结机理。本论文主要研究内容和创新点如下:(1)基于液相烧结和固溶作用,提出采用CaO-Fe2O3复合助剂制备高强度55铝矾土基压裂支撑剂的方法,系统研究了 CaO、Fe2O3及其组合对支撑剂性能的影响,筛选出最佳配方组合,探讨了支撑剂性能增强机理。研究表明,CaO参与低温液相形成,可提高支撑剂致密度,提升抗压强度,但CaO会抑制莫来石生长,降低莫来石晶须增韧效果,过量添加CaO导致支撑剂强度下降;Fe2O3可促进刚玉和莫来石晶体生长,提升支撑剂强度,但过量的Fe2O3在高温烧结过程中会分解形成Fe3O4和氧气,导致支撑剂致密度显著降低,抗压性能明显下降。通过添加CaO-Fe2O3复合助剂,经1300℃烧结制备出视密度为2.981 g/cm3,69MPa闭合应力下破碎率仅为5.13wt.%的高强度支撑剂。(2)在支撑剂低温烧结中,系统研究了原料预煅烧、原料粒度、粘结剂、CaO-MgO复合助剂、CaO-MnO2复合助剂对55铝矾土基支撑剂烧结温度和性能的影响,筛选出CaO-MnO2复合助剂的最佳配方。研究表明,CaO-MnO2复合助剂使得支撑剂在1140～1600℃形成低温液相;过量MnO2会抑制莫来石晶须的生长,导致支撑剂抗压强度下降。首次将CaO-MnO2复合助剂引入低品位铝矾土基支撑剂,实现了烧结温度的大幅降低,最低烧结温度降低至1180℃,远低于当前铝矾土基支撑剂1300℃以上的烧结温度。(3)分析了 40铝矾土高温相变过程,研究了 Fe2O3、MnO2、原料预锻烧处理对40铝矾土基压裂支撑剂性能的影响,筛选出Fe2O3助剂的最佳用量,提出了制备高强度铝矾土支撑剂的预煅烧机制,实现了高强度40铝矾土基支撑剂的制备。首次提出了采用Fe203抑制方石英高温玻璃化转变,降低玻璃相含量,提高支撑剂抗压强度的方法;分析了预锻烧铝矾土是否完成莫来石化反应对支撑剂性能的影响,提出了完成铝矾土莫来石化反应预煅烧处理对制备高强度支撑剂的重要性。最终形成了制备高强度40铝矾土基支撑剂技术。采用1200℃预锻烧40铝矾土,通过添加Fe2O3,经1400℃烧结制备出物相组成为莫来石相、方石英相和玻璃相,视密度为2.782g/cm3,52MPa闭合应力下破碎仅为2.62wt.%的高强度支撑剂。(4)采用12:3的HCl:HF酸溶液,研究了酸液对不同晶相组成陶粒支撑剂抗压强度和导流能力的影响,探索了不同晶相组成支撑剂酸蚀性能变化机理。研究发现,刚玉相为主的高强度陶粒支撑剂,酸蚀后期抗压强度和导流能力急剧下降,而以莫来石相为主的低密度陶粒支撑剂抗压强度受酸腐蚀影响小。交错莫来石晶体为酸蚀支撑剂提供了一定强度,66℃腐蚀6h后,闭合应力52MPa下破碎率仅增加约3.5wt.%。(5)采用挤出成型法,高温烧结制备了高性能棒状压裂支撑剂。研究了粘结剂、润滑剂、增塑剂对支撑剂生胚体脱粉率、挤出压力和支撑剂性能的影响;研究了棒状支撑剂与球形支撑剂破裂形式、堆积方式以及导流能力的区别;研究发现,棒状支撑剂堆积过程中的可形成桥架结构,提高支撑剂堆积孔隙度,使其导流能力高于球形支撑剂。通过采用添加棒状支撑剂,实现了球形支撑剂导流能力的提升。