在固井过程中,环空注水泥的效果对固井质量的好坏起到至关重要的作用。注水泥时,大多数情况下紊流的顶替效率要高于塞流和层流,然而有时由于地层压力较低不得不采用层流顶替。对于层流顶替,固井实验室室内模拟实验表明,在顶替过程中顶替界面在一定条件下并不能达到稳定,但是根据力学分析,在正密度差下顶替界面长度最终会达到一个稳定的值向前推进,而室内试验由于环空长度的局限性无法对界面进行更长距离模拟,所以用数值模拟的方法对顶替界面进行长距离的研究非常有必要。本文在非牛顿流体力学基本原理和流体运动基本控制方程的基础之上,结合VOF方法中的自由界面重构的方法建立了两相顶替流动模型,并运用CFD软件FLUENT进行了顶替界面长距离流动数值模拟。分别模拟了不同偏心度、密度差、顶替速度、流体流变性能条件下的顶替界面在顶替过程中的变化情况。根据模拟结果,得出界面在顶替过程中的变化过程和界面上的速度分布,以及上述各因素对顶替界面的影响规律和界面长度与顶替效率的关系。分析认为,顶替开始后界面长度不断拉长,在正密度差下界面会达到动态稳定(在一个范围内波动)或者绝对稳定,并以此动态稳定界面向前推进。在同心环空中,只要存在正密度差即可达到绝对稳定的界面；而在偏心环空中高密度差下界面会达到绝对稳定,其他情况会获得动态稳定界面；负密度差下界面均无法达到稳定；从对顶替界面达到稳定状态的影响效果来看,从大到小依次为偏心度、密度差、顶替速度和流体流变性能；套管偏心度越小、顶替液和被顶替液的密度差越大、顶替速度越大、顶替液的n值和k值越大、被顶替液的n值和k值越小,动态稳定界面长度越短,顶替效率越高；在偏心环空中,界面上存在速度较大的宽间隙向窄间隙的切向速度,该切向流造成的宽间隙流体向窄间隙流体的挤压力是窄间隙界面向前推进的主要动力。通过与实验室已得实验结果进行规律性比对可知,本文所得结论与室内有限实验条件下的有限实验组的实验结果高度吻合。该模拟结果对环空注水泥施工有很好的指导性作用。