注水泥顶替界面边界描述了环空工作液的滞留位置,不同流体之间的顶替界面可以反应出环空中多相流体流动时各相流体的滞留情况与掺混情况,不同井眼状况与流体性质条件下,环空滞留结果与滞留规律具有很大的差别。现有的顶替机理研究都是基于环空两相流动,无法反应环空中三相乃至多相流体同时流动的顶替效果,并且没有计算适合各种环空条件下的顶替数学模型,针对这一问题,本文首次采用了分段式分析的手段,进行了环空三相流体的顶替规律研究与顶替模型推导,主要研究内容有:(1)选取赫巴流变模式作为环空流体的流变模型,以N-S方程为基础,考虑环空特性,建立适合计算环空流体流动的运动方程求解流场随时间的变化;在此基础之上,通过Cahn-Hilliard方程建立基于密度变化反应界面位置变化的界面控制方程,结合运动方程,得到适合环空流体顶替流动的偏微分方程组;通过数值分析手段,通过隐式差分对流动方程进行无量纲化并进行差分,化为可求解的形式,通过数值分析手段进行求解。(2)基于三相流体顶替原理,建立环空流动的物理模型,采用分段采集数据的方法对环空滞留特征进行分析。通过该分析方法,可以反应出不同顶替条件下环空流体滞留规律与特征,有助于更加清晰的认识环空顶替过程不同深度点的流体流动状态与掺混情况。(3)通过CFD软件进行环空三相流动与两相流动对比分析;通过对流速、粘度、密度的分析,阐明了环空三相流体在直井环空中的顶替情况与滞留规律;结合模拟实验数据,拟合了考虑流体粘性、流体密度、注入速度变化的三相流动数学模型,与顶替模拟结果吻合良好,可为直井条件下的环空三相顶替效果预测提供参考依据。(4)基于三相流体顶替,研究了多种井眼状况的顶替规律包括环空偏心、环空扩径、以及偏心-扩径等。通过大量的数值模拟分析,阐明了各种环空条件、不同流体参数、不同注入速度对环空顶替效果的影响,揭示了多种情况下的顶替规律,拟合出关于偏心、扩径、偏心-扩径、密度结构、粘度结构、流速变化的数学模型,模型计算结果与验证结果吻合良好。本文构建的真实模拟顶替效果的理论评价新方法,揭示了环空三相流体的滞留机理和界面分布情况,完善了顶替界面形状描述模型,得出了基于偏心、扩径、偏心-扩径、密度结构、粘度结构与流速变化的数学模型,为环空三相顶替参数设计提供了理论依据,为改善注水泥井筒浆柱结构、浆体性能及提高顶替效率奠定重要的理论基础。