常规的实心陶粒和石英砂等支撑剂密度比压裂液密度高出1-2倍,容易在压裂液中发生沉降。为了实现支撑剂的远距离输送,获得更长的支撑剂充填裂缝,常用的方法是提高压裂液泵送排量或提高压裂液粘度。提高泵送排量需要更高的水马力。提高压裂液粘度则需要引入稠化剂、交联剂等容易导致储层伤害的化学剂。研发低密度支撑剂,降低支撑剂与压裂液的密度差,是解决上述问题的一条新途径。空心支撑剂是当前低密度支撑剂研究的热点和难点。空心支撑剂内部的空心结构,可降低支撑剂的密度,进而提高支撑剂的可输送性能,增加支撑缝长。但中空支撑剂密度、强度、嵌入岩面深度和粒径之间的理论联系尚未科学揭示,进而导致支撑剂研发过程中材质、结构的优化缺乏足够的理论支撑。鉴于上述背景,本文基于有限元理论,采用ABAQUS软件,分析了裂缝闭合压力、支撑剂空心结构、支撑剂粒径和弹性模量、岩石材料力学参数等对空心支撑剂嵌入岩面深度、破碎强度等性能的影响,进一步优化了空心支撑剂的结构和本体材料参数。论文的研究内容主要包括以下几方面。(1)空心支撑剂嵌入岩面深度的理论刻画建立单颗粒支撑剂受压有限元模型,研究了裂缝闭合压力、支撑剂空心结构、支撑剂粒径和弹性模量、岩石材料力学参数等对空心支撑剂嵌入深度的影响规律。根据受力平衡条件,推导了支撑剂在裂缝中多颗粒“紧密排列”时,考虑岩石塑性特征的嵌入深度表达式。进而,分析了不同支撑剂排列方式下,支撑剂嵌入深度的变化特征。(2)空心支撑剂强度特征的理论刻画借助单颗粒支撑剂受压有限元模型,分析了裂缝闭合压力、支撑剂空心结构、支撑剂粒径和弹性模量、岩石材料力学参数等对空心支撑剂强度的影响规律。特别地,对ABAQUS进行二次开发,在支撑剂网格模型全局嵌入零厚度粘结单元,揭示了不同堆积形式下,支撑剂的破坏形式。(3)空心支撑剂结构和本体材料的优化基于所揭示空心支撑剂嵌入岩面深度特征、强度变化特征和空心支撑剂的密度特征,结合利用数据归一化方法,优化了空心支撑剂的空心结构、粒径、本体材料弹性模量等参数,推荐了满足低密度、高强度、少嵌入特征的空心支撑剂几何结构参数和材质。