近年来,全深冻结凿井技术逐渐在富水岩层井筒建设中得到推广应用,冻结孔的泥浆置换充填工艺得到了发展,然而,现场施工中依然会出现冻结管无法顺利下沉的情况。因此,本文采用室内试验、数值模拟及物理模型试验的方法,开展了冻结孔泥浆置换浆液材料优化及浆液流动混合规律的研究。首先,通过室内试验,在原配方的缓凝水泥浆中掺加超细水泥及外加剂的优化,开展缓凝水泥浆性能优化研究,确定了掺加超细水泥的缓凝水泥浆配方。结果表明:水泥浆中掺加超细水泥对浆液的初始流动性影响不大,但减小了水泥浆的初凝时间。从初始粘度、结石率、初凝时间、析水速率方面比较,水泥浆中超细水泥混掺量宜为20%~40%。在水泥浆中加入缓凝剂与分散剂,超细水泥混掺比例40%的悬浮稳定性比混掺比例30%和35%好。加入相同比例的悬浮剂后,混掺比例为40%的水泥浆悬浮稳定性明显高于混掺比例为30%、35%的水泥浆,且缓凝水泥浆的初始流动性良好。新、原配方的缓凝水泥浆分别与泥浆按照不同体积比混合后,混合浆液的表观粘度值随着缓凝水泥浆的比例增加,先缓慢增加然后快速减小;新配方与泥浆不同比例混合后的表观粘度整体都比原配方略大。混合浆液的初凝时间随着缓凝水泥浆的比例增加,呈先减小后增大的趋势。针对优化后的缓凝水泥浆,获得其表观粘度和动切力等流变参数。其次,通过室内试验,开展隔离液的研究,获得了适用于冻结孔泥浆置换充填的隔离液材料及其配方。试验结果表明:黄原胶掺量达到重晶石粉质量的0.45%时,隔离液的悬浮性能和流动性能优异。掺加2%的磺化褐煤树脂,滤失量为55ml,明显小于木质素磺酸钠和烷基萘磺酸钠。确定隔离液密度为1.30 g/cm3的配方组成为:1.77的水+1的重晶石粉+0.45%黄原胶+2%的磺化褐煤树脂。隔离液与泥浆和缓凝水泥浆的相容性良好,且隔离液的不同密度的悬浮稳定性、滤失性能及流变性能良好,能够满足施工需要。针对上述隔离液,获得了稠度系数和流性指数等流变参数。然后,通过数值模拟,研究了泥浆置换过程的浆液流动混合规律,获得了不同条件下混合段高度的变化规律。结果表明:体积分数为5%~95%的环空混合段高度h随着压浆流量的增加呈先增加后减小;随着壁面粗糙度的增加呈先减小后增大;随着钻杆内径与孔径之比的增加呈先增大后减小,然后再增大;随着浆液塑性粘度和动切力的逐渐增加呈先减小后增大再减小;随着钻杆偏心度的增加呈先减小后增大,且h2不断增大。同时研究了在各种因素最不利条件下所需隔离液的最小体积量。通过正交试验的极差和方差分析,影响h2的因素主次顺序和显著性顺序相同,依次为:钻杆偏心度>压浆流量>钻杆内径与孔径之比>浆液流变参数>壁面粗糙度;各因素对宽间隙处混合段高度h(5%~95%)的影响显著性依次为压浆流量因素>钻杆偏心度因素>壁面粗糙度因素>浆液流变参数因素>钻杆内径与孔径之比因素。最后,通过物理模拟试验,开展泥浆置换过程的浆液流动混合规律研究。结果表明:物理试验得出的混合段高度h随着流量的增加,h逐渐增大,但增加趋势减缓。对应模型的数值模拟结果表明,随着流量的增加,混合段高度h呈先增大后减小的趋势,但减小趋势很小;物理试验的混合段高度h的结果都比数值模拟的结果偏大,并分析了可能存在的影响因素。