在油田开发过程中,由于地层岩性不一致和钻井工艺等原因往往造成局部井径扩大和井壁冲蚀,形成局部有凹陷的井筒,现场称为“扩径井”,这不仅给钻井带来了挑战,而且对固井质量也提出了更高的要求。为了达到良好的井下封隔效果,取得比较高的固井质量,就必须提高固井过程中注水泥浆的顶替效率,所以,研究凹陷井筒固井顶替流动过程和顶替效率对提高固井质量和效率具有重要的意义。本文基于非牛顿流体力学基本原理和流体运动基本控制方程,结合相关的固井顶替理论知识,运用CFD软件Fluent对凹陷井筒固井顶替流动的过程进行了数值模拟。分别研究了流态、扩径段长度、密度差、浆体性能对凹陷部分水泥浆顶替效率的影响,模拟结果表明:流态、扩径段长度、密度差对顶替效率的影响远大于浆体性能对顶替效率的影响;采用塞流或紊流顶替、增大水泥浆与钻井液两者之间的正密度差、增加水泥浆的稠度系数或者钻井液的流性指数、增加水泥浆与钻井液的动切力以及增大水泥浆的塑性粘度(控制到0.05Pa·s左右)都有利于提高凹陷部分水泥浆的顶替效率,反之则会降低凹陷部分水泥浆的顶替效率;此外,凹陷部分水泥浆的顶替效率随着时间的延长也在不断地增大,当顶替效率增大到一定程度以后,随着时间的延长,凹陷部分水泥浆的顶替效率基本不变。研究结果对提高凹陷井筒固井顶替效率及固井质量具有一定的指导意义,同时有助于明确凹陷井筒固井顶替流动过程中的顶替机理,为注水泥设计和施工提供了必要的理论依据。