为确保油气井井筒具有良好的封隔效果,保障注水泥顶替效率是必要前提,因此需要明确注水泥过程中钻井液和水泥浆在顶替过程中的流动规律,并对顶替效率进行精确评价。但当前固井顶替理论研究大多针对规则的理想井壁条件,而钻完井过程中井下条件复杂,破岩过程中产生的粗糙井壁加之附着的泥饼,使得实际井壁具有不规则的表面形貌,这使得现有理论尚无法真实还原注水泥顶替过程中环形空间内流体的顶替流动规律,进而导致对顶替效率的评价产生了误差。考虑到以上问题,本文针对不规则井壁条件下,钻井液及水泥浆在偏心环空中的流动规律进行了研究,并评价了不规则井壁所导致的非均匀几何边界条件下的注水泥顶替效率,从而为固井参数设计及固井质量评价提供了理论指导。主要研究内容及成果如下:（1）建立了柱坐标系下赫切尔—巴尔克莱模式钻井液、水泥浆偏心环空轴向层流流动模型,得出了赫切尔—巴尔克莱流体在偏心环空中的流速分布情况及压力流量间的数学关系;建立了钻井液偏心环空滞留条件分析模型。编制了数值解计算机程序,对钻井液整体滞留及局部滞留的位置边界、宽度、滞留区域、顶替效率等进行了数值计算与分析。结果表明:流场压力梯度增加,钻井液局部滞留层厚度减小,顶替效率增加;偏心度增加,顶替效率降低;层流顶替流动条件下,降低钻井液屈服应力,提高驱替液屈服应力,有助于改善钻井液局部滞留状况,提高顶替效率。（2）建立了均匀井径注水泥顶替流动分析模型及数值模拟计算方法,对水泥浆与钻井液界面顶替的演化过程进行了数值模拟计算,分析了钻井液及水泥浆的流体性能、流场压力梯度、偏心度、正密度差等不同工况条件对顶替效率的影响规律。结果表明:偏心环空注水泥顶替流动中,流体顶替参数存在优化配比,从而为施工提供理论指导。（3）考虑井壁的非均匀性,研究了流体流动产生的沿程摩阻损失,分析了沿程损失与切应力的关系,分析了环空非均匀几何边界井壁的钻井液微元体力学作用,建立了非均匀几何边界井壁侧与套管侧顶替界面边界位置计算模型,实现了钻井液的滞留情况的定量评价。结果表明:井斜角在30°～45°偏心度为0.3～0.4之间,顶替液面相对稳定且顶替效率较高;井斜角在45°～60°密度差为300kg/m3～700kg/m3时顶替效率较高;不同驱动压力梯度条件下,尽量提高流场压力梯度,有助于提高顶替效率。（4）针对非均匀井壁的非线性环空几何条件,运用格子玻尔兹曼方法,选定格子玻尔兹曼方法的基本模型及曲面边界条件,建立了描述非均匀几何边界井壁的几何模型,阐述了非均匀几何边界井壁在格子玻尔兹曼模型中的实现方法;建立了非均匀几何边界条件注水泥顶替数值模拟方法的模型,分析了不同参数非均匀井壁对顶替效率影响规律及其他常规注水泥顶替流动参数对顶替效率的影响规律。结果表明:粗糙程度越大,顶替效率越低;粗糙度变化越剧烈顶替效率越低,说明保持井壁的均匀性可提高顶替效率。本文通过采用理论模型推导和数值模拟相结合的研究方法,对偏心环空注水泥顶替流动在均匀井壁及非均匀几何边界井壁两种情况下进行研究,研究成果揭示了偏心环空注水泥顶替流动顶替效率规律,丰富了注水泥顶替理论,为偏心环空注水泥顶替参数的优化设计提供了理论依据,对现场固井施工具有一定的指导意义。