水泥浆水化过程中将产生大量钙离子,当这些钙离子与钻井液发生混合时,易形成粘稠团块状絮凝物质,这将造成水泥浆顶替不到位、水泥石抗压强度和胶结强度大幅降低,严重影响固井质量。为避免水泥浆与钻井液接触,注水泥过程需要在水泥浆与钻井液之间泵入一定量的隔离液。目前现场常用的隔离液用量计算方法主要根据经验来确定,并没有考虑实际顶替过程两相流混浆长度影响。本论文以Taylor分散理论为基础,对隔离液与水泥浆混浆长度进行了分析计算,主要研究如下:(1)采用顶替界面微元力学方法分析了径向流速产生机理,提出了径向分散系数Er来描述径向物质输运能力;以幂律流变模式作为固井工作液的流变模式,分析了直井条件下套管与同心环空层流顶替轴向流速分布,利用轴向流速分布与径向分散系数Er,建立了适用于管内及同心环空轴向分散模型,阐明了水泥浆在轴向上分散的机理,并得出了混浆长度的理论计式。分析了幂律流体流变指数、平均流速、套管半径及环空间隙、无量纲数ξ对分散系数及混浆长度的影响;通过离子扩散方程得出塞流顶替状态下的混浆长度。(2)以幂律流变模式作为固井液工作的流变模式,研究了紊流状态下直井环空紊流流速分布,得出了直井同心环空紊流最大流速、平均流速之间的关系,并利用紊流流速分布建立了适用于紊流条件下直井同心环空的分散模型,得出了紊流状态下直井同心空的混浆长度计算式,并分析了环空间隙、环空平均流速、流体流变指数对混浆分散系数及混浆长度的影响。(3)通过数值模拟的方式,得出了径向流速与密度差的关系,并通过模拟计算,分析了密度差对混浆长度的影响;通过实验研究了钙离子扩散系数与温度、隔离液种类的关系,并验证了套管内层流顶替混浆长度计算式;将混浆长度计算公式与固井实际工程结合,得出不同流态下的理论隔离液用量计算新方法,并利用新方法对现场固井施工隔离液用量进行了理论计算。通过上述理论与试验研究,分析了层流、紊流顶替各参数对混浆长度的影响,提出了考虑顶替混浆长度后隔离液用量的推荐计算方法,并考虑井斜、偏心等因素的影响,为固井施工顶替参数优化提供了理论依据。