随着全球非常规油气开发日渐风靡,水力压裂技术由于成本低廉、易实施且增产显著,逐渐发展成为难以取代的主流压裂手段。为应对新压裂环境的挑战,达到绿色环保、高效、低成本的目标,压裂液中含量约占9.5%的支撑剂组分的改性研发,获得越来越多的关注。常用支撑剂主要有原砂、陶粒和树脂覆砂。近年来,为提高油气开采率,并针对不同油气储层的条件,新型支撑剂如超高强、超轻、新型包覆改性类、自悬浮、棒状等进入人们的视野。我国非常规油气资源丰富,但低渗透、低压、低丰度的储层特点对压裂技术提出新挑战。本文首先调研了传统支撑剂到新型支撑剂的发展史,系统总结、分析了各类支撑剂的优缺点,预测未来支撑剂将向小尺寸、多功能、高性能、智能化,四个大方向发展。基于此,本文围绕化学改性、结构改性、物理改性三大方面分别对支撑剂进行疏水功能改性及pH响应智能改性、多形状设计、物理混纤等研究。支撑剂表面化学改性是本论文研究重点之一。通过化学改性,改变支撑剂表面亲疏水性能,可以调控油水的流通性质,从而有效提高油气开采量。第一部分选用不同尺寸的砂子、陶粒常规支撑剂,以及纳米硅、碳纳米管等小尺寸颗粒,分别通过小分子自组装法、疏水树脂润湿法及树脂包覆法进行疏水功能改性。通过接触角测试、毛细管法、傅里叶红外光谱测试、扫描电镜及能谱分析、原子力显微镜测试、热失重测试、渗流测试等对产品进行表征,进一步从微观化学、微观结构、微观力学等方面对不同改性方法进行理论研究并分析影响因素,得到颗粒尺寸越大,表面规整度越好,树脂润湿改性效果越好;支撑剂表面活性越高,改性效果越好。第二部分围绕化学智能改性展开,通过原子转移自由基聚合法(ATRP)制得疏水型、pH响应型智能支撑剂。改性过程中经聚合、水解等步骤,可控制支撑剂由亲水到疏水再到亲水的性能转变。围绕结构改性研究,提出四腿形、八腿形和空心型等新型支撑剂的设计,以增加堆积孔隙率,增大运移距离。分别使用Monte Carlo法和EDEM法对设计的新型支撑剂与传统球形支撑剂做孔隙度测试模拟,得到支腿数目越多,支腿越长,孔隙率越大的结论。使用3D打印机制作新型支撑剂,通过水流通实验,对模拟结果进行验证。选择综合性能最好的四腿(长)形支撑剂,通过动态运移模拟与传统球形进行对比,运移距离明显增大。在运移过程中,新型支撑剂可以翻滚前进,提高输送效率,支腿间交叉堆积可以有效控制回流。在物理改性研究方面,使用可降解聚乳酸纤维,对支撑剂进行混纤实验研究。支撑剂混纤可以有效降低垂直沉降速度,增加运移距离。通过热稳定性、沉降性测试等系列实验对纤维的尺寸、添加量等因素进行选择,再通过携砂与返排实验等研究,确认聚乳酸纤维可以有效增加压裂液携砂能力,降低支撑剂返排量,提高压裂液返排速度。