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固井环空水泥浆顶替效率的高低对防止钻井液窜槽、保证水泥胶结质量和提高水泥环密封效果具有重要影响，而井径不规则性则是影响顶替效率的主要因素。根据物质输运方程、扩散方程及κ-ε紊流方程，建立了固井环空水泥浆-隔离液顶替流动数学模型，利用计算流体力学方法对水泥浆顶替过程进行了数值模拟研究，得到了井径变化率、排量对环空速度分布和顶替效率的影响规律。研究结果表明：随着顶替排量的增加，顶替效率增大；井径不规则性越强，水泥浆顶替效率越低。研究结果可为复杂井筒的固井作业提供理论依据和指导。