水平井固井在技术上和施工上都存在很多的难点,水平井注水泥顶替效率的高低直接影响水平井的固井质量,所以提高水平井注水泥顶替效率成为了提高水平井固井质量的重要研究方向。本文系统分析了影响水平井注水泥顶替效率的因素,确定注水泥顶替效率模拟装置的模拟参数。根据实验需要建立一套室内的注水泥顶替效率模拟实验装置,该实验装置可调整的功能较多,可扩展性强,能够用于不同井斜角下的流动实验研究。由于水平环空内流体流动的复杂性,使得普通方法对水平环空内流场的研究有较大困难。而粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,简称PIV)它不仅能显示流场流动的物理形态,而且能够提供瞬时全场流动的定量信息。通过注水泥顶替效率模拟实验装置与PIV系统的配套,能够用来研究水平环空中流体的流动规律,以及实时的测量顶替过程。应用水平井注水泥顶替效率实验系统研究了不同套管偏心度、不同环空流速、不同流体性能下水平环空中幂律流体的流动规律,得到了不同情况下水平环空内流体的轴向速度分布和流场速度云图。对比分析了套管偏心度、环空流速、流体性能对水平环空内轴向速度分布的影响,并得到了不同条件下水平环空内轴向速度分布的变化规律。在上述实验基础上进行了水平环空中相似液的顶替实验,将实验结果与单一流体的流动实验结果进行了分析、比较,进一步总结水平井注水泥顶替效率影响因素对水泥浆顶替效果的影响。本文应用PIV技术对水平环空中流场的流动规律进行了系统的实验,并首次将该技术用于对水平井注水泥顶替效率的研究,从实验结果来看该研究方法是可行的。水平环空中相似液的顶替实验为水平井注水泥顶替效率的研究提供了思路和依据。