作者：张发展,郭虹
出版社：石油工业出版社
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钻井井控技术与设备基本知识读本试读：
钻井井控技术与设备基本知识读本张发展 郭 虹 主编油工业出版社内容提要本书包括钻井井控技术和钻井井控设备两部分内容，钻井井控技术主要讲述了井控的基本概念、井筒内的压力及相互关系、气侵与溢流、关井和压井的基本理论知识。钻井井控设备主要讲述了环形防喷器、闸板防喷器、旋转防喷器、液压防喷器控制装置、节流、压井管汇、钻具内防喷工具和井控相关设备的基础知识。
本书适合从事钻井和井控的现场员工阅读。
图书在版编目(CIP)数据
钻井井控技术与设备基本知识读本/张发展，郭虹主编.北京：石油工业出版社，2014.12
ISBN 978-7-5183-0499-8
Ⅰ.钻…
Ⅱ.①张…②郭…
Ⅲ.①油气钻井-井控-基本知识②油气钻井-井控设备-基本知识
Ⅳ.①TE28②TE921
中国版本图书馆CIP数据核字（2014）第261714号
出版发行：石油工业出版社
(北京安定门外安华里2区1号 100011)
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2014年12月第1版 2014年12月第1次印刷
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字数：281千字
定价：36.00元
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版权所有，翻印必究前 言
井控工作是石油天然气勘探开发过程中的重要环节，是油气安全生产工作的重中之重。实现井控本质安全，建立井控安全长效机制，真正贯彻积极井控的理念，关键在于提高一线员工的井控素质。
井控培训是提高岗位员工井控素质和井控安全意识的有效途径。通过培训，将丰富员工的井控知识，提高员工井控安全意识和基本操作技能，将为各油田作业现场以井控为主的安全生产提供有力保障。
本书结合长庆油田的现场实际，参考了中国石油历年来的井控文件和有关规定、石油行业相关标准、企业相关标准及中国石油井控培训教材，以成熟的井控基本理论和工艺技术为基础，突出井控预防手段，强调现场实践环节，着重规范岗位操作程序。本书作为现场一线井控操作人员和技术人员的参考书和培训教材，可提高其井控理论水平和实际操作技能。编者2014年10月上篇 钻井井控技术第1章 绪 论1.1 井控及其相关概念1.1.1 井控的定义及分级1.1.1.1 井控的定义
井控，即井涌控制或压力控制，是指采取一定的方法控制住地层孔隙压力，基本上保持井内压力平衡，保证钻井工作顺利进行的技术。
定义中所说的“一定的方法”包括两个方面：（1）采取合理的压井液密度；（2）采取合乎要求的井口防喷器。
定义中所说的“基本上保持井内压力平衡”指：p-p井底地层=Δp（井底压差Δp取值：对于油井取1.5～3.5MPa；对于气井取3.0～5.0MPa）。1.1.1.2 井控的分级
根据井涌规模和采取控制方法的不同，井控作业分为三级，即初级井控、二级井控和三级井控（图1.1）。图1.1 井控分级及工作原则（1）初级井控。采用合适的钻井液密度和技术措施使井底压力稍大于地层压力的钻井过程。初级井控的核心就是确定一个合理的钻井液密度，初级井控提供的钻井液液柱压力为安全钻井形成第一级屏障。初级井控技术要求我们在进行钻井施工时，首先要考虑配制合适密度的钻井液，确保井内钻井液液柱压力能够平衡甚至大于地层压力，保证井口敞开时安全施工。（2）二级井控。由于某些原因使井底压力小于地层压力时，发生了溢流，但可以利用地面设备和适当的井控技术来控制溢流，并建立新的井内压力平衡，达到初级井控状态。二级井控技术要求井口必须装防喷器组，井口防喷器组为安全钻井提供第二级屏障。二级井控的实质是“早发现、早关井和早处理”。
①早发现：溢流被发现得越早越便于关井控制，越安全。国内现3场一般将溢流量控制在1～2m之前发现。这是安全、顺利关井的前提。
②早关井：在发现溢流或预兆不明显、怀疑有溢流时，应停止一切其他作业，立即按关井程序关井。
③早处理：在准确录取溢流数据和填写压井施工单后，就应节流循环排出溢流和进行压井作业。（3）三级井控。三级井控是指二级井控失败，井涌量大，失去了对地层流体流入井内的控制，发生了井喷（地面或地下），这时使用适当的技术与设备重新恢复对井的控制，达到初级井控状态。即常说的井喷抢险，这时可能需要灭火、打救援井等各种具体技术措施。
对一口井来说，应当努力使井处于初级井控状态，同时做好一切应急准备，一旦发生井侵能迅速地做出反应，加以处理，恢复正常钻井作业。要尽力防止井侵变成井喷。
搞好井控工作的原则是：立足于初级井控，搞好二级井控，杜绝三级井控。确保各种施工顺利进行。
搞好井控工作的指导思想是：以人为本、安全第一、预防为主。
搞好井控工作的重点是天然气井、超前注水开发区块的油井、地3层压力梯度大于0.95MPa/100m和气油比大于100m/t井的作业。1.1.2 与井控相关的概念1.1.2.1 井侵
当地层孔隙压力大于井底压力时，地层孔隙中的流体（油、气、水）将侵入井内，通常称之为井侵。最常见的井侵为气侵和盐水侵。1.1.2.2 溢流
当井侵发生后，井口返出的钻井液的量比泵入的钻井液的量多，停泵后井口钻井液自动外溢，这种现象称之为溢流。特点：返出流体不会到达转盘面上。1.1.2.3 井涌
国内定义：井涌是溢流的进一步发展，井口返出流体超过转盘面，但低于二层平台。
国外定义：当地层压力大于井底压力时，在其压差作用下，地层流体进入井眼，这种流体流动称为井涌。1.1.2.4 井喷
国内定义：井涌进一步发展，当井口返出流体超过二层平台时称为井喷。
国外定义：井涌失控称为井喷。
井喷有地上井喷和地下井喷。流体自地层经井筒喷出地面叫地上井喷，从井喷地层流入其他低压层叫地下井喷。1.1.2.5 井喷失控
井喷发生后，无法用常规方法控制井口而出现敞喷的现象称为井喷失控。这是钻井过程中最恶性的钻井事故。1.1.2.6 井喷着火
井喷后失去控制的地层流体在地面遇到火源着火的现象。这是钻井过程中最恶性的、损失巨大的钻井事故。
长庆油田提出井控工作的目标就是坚决杜绝井喷失控和着火事故；坚决杜绝有毒有害气体事故。树立井控就是安全、井喷就是事故的意识。1.2 正确认识与做好井控工作1.2.1 井喷失控与着火的危害
井喷失控及其着火是钻井工程中危害极大的灾难性事故，其严重危害如下：（1）打乱全面的正常工作秩序，影响全局生产。
1986年8月中原油田卫146井发生强烈井喷，失控后，立即打乱了该局正常的工作。局领导主要成员亲临前线，组织指挥抢险工作。兄弟油田、地方政府和兄弟单位先后前来支援，组织了800 多人参加的抢险队伍。熊熊烈火当场烧死一人，重伤一人（后因抢救无效牺牲），13人不同程度烧伤。为扑灭大火，曾先后动用消防车30余辆。受污染的良田面积达3000余亩，损失惨重。（2）油气资源受到损失和破坏。
1958年，四川长桓坝气田长1井，嘉陵江气藏井喷，气量超过4383100×10m/d，损失天然气达4.61×10m，占该气田总储量的62%，致使该气藏几乎失去了开采价值。（3）钻井设备被损坏或烧毁。
2003年2月18日，大港油田滩海工程公司承钻的中4－72井在起钻过程中发生井喷失控，40min后井架朝大门方向倒塌。井架、绞车及大量钻具工具报废。（4）危及人身安全，造成人员伤亡。
2003年12月23日，川东钻探公司12队,罗家16H井井喷失控，导致硫化氢大量外泄，造成243人死亡，4000多人受伤。（5）严重污染环境，造成不良的社会影响。
1979年6月3日，墨西哥石油公司的伊斯托克1号平台，突然发生严重井喷，这次井喷造成10mm厚的原油顺潮北流，涌向墨西哥和美42国海岸。黑油带长480km、宽40km，覆盖1.9×10km的海面，使这一带的海洋环境受到严重污染。（6）处理井喷失控、井喷失火不仅延误钻井时间，而且会在经济上造成巨大的损失，使钻井成本大大增加。
1996年，长庆油田W24-23井，井喷着火，时间损失168h，直接经济损失45.73万元。1.2.2 对井控工作的正确认识
几十年来，井控工作所取得的成绩是很大的，积累的经验是十分丰富的。但是，井喷失控造成的损失也是巨大的，教训是十分深刻的。严峻的事实使人们对井控工作的认识正在逐步端正，逐步提高。
在过去较长的时间里，人们头脑中对井控工作存在着两种不正确的认识：
其一，由于过去井控装备简陋，不能有效地关井，特别是对高压油气层的井，为了不井喷，使用高密度钻井液钻井，只要井不喷，就片面地认为井控工作做好了，至于是否伤害油气层，“枪毙”油气层，则考虑甚少。
其二，使用低于油气层压力的低密度钻井液钻井，试图用井喷发现油气藏。虽然其主观愿望不能说坏，其结果却是相反，井喷后不仅不能进行正常的钻井作业，而且井喷后的压井作业不可避免地对油气层造成严重的伤害。
上述两种不正确的认识及其造成的客观后果教育了人们，使人们认识到：只有实施近平衡压力钻井和采用先进的井控技术才是发现油气层、保护油气层的唯一正确途径。近平衡压力就是使用合理的钻井液密度形成略大于地层孔隙压力的液柱压力，达到对所钻地层实施初级控制的目的。做到既不伤害地层，也不发生井喷。一旦初级控制未能准确实施，出现溢流后，还可以使用先进的井控装备及时进行关井，实施二级控制。从而保证了既有利于发现和保护油气层，又做到安全钻井。第2章 井筒内的压力及钻井液密度2.1 压力的概念
压力也称压强，其定义是单位面积上所受的力。p=(2.1)式中 p——压力，Pa；2
A——面积，m；
F——作用在面积上的力，N。
有关压力单位的换算：23
1Pa=1N/m；1kPa=1000Pa=10Pa；361MPa=1000kPa=10kPa=1000000Pa=10Pa；22
1MPa=10.194kgf/cm；1kgf/cm=98.067kPa=0.098067MPa；2
近似计算1kgf/cm=100kPa=0.1MPa,误差约2%；
英制中，1psi=6.895kPa。
[例题2.1]如图2.1,已知一圆柱体立放在桌面上，其底面直径100mm，高1m，重5kg。求圆柱体对桌面压力。22
解：圆柱体底面积=3.14×10/4=78.54cm；2
圆柱体对桌面压力=5kg/78.54cm2
=0.064kgf/cm=6.246kPa。图2.1 圆柱作用下的压力
井控中的很多压力是由液体和气体产生的，但压力的概念是一样的，所不同的是液体和气体在某点上的压力在各个方向均相等。2.2 地层压力
保存在地层孔隙内的流体(油、气、水)所具有的压力称为地层压力。在钻井过程中，当钻至油层、气层、水层后，地层压力便作用于井底。在充满钻井液的井眼中，井底具有以钻井液液柱为主的井底压力。井底压力与地层压力的差值称为井底压差。当地层压力大于井底压力时，井底压差为负压差，地层孔隙中的流体便会侵入井内，发生井喷事故。当井底压力大于地层压力时，井底压差为正压差，地层孔隙中的流体就不会侵入井内。但是，当井底正压差大时，就会产生下列危害：（1）油气层的缝隙。钻井液中的黏土等固相颗粒在井底正压差的作用下，侵入油气层的孔隙或裂缝之中，阻止或防碍油、气流出。正压差越大，钻井液中的固相颗粒越多，则固相颗粒越易侵入地层孔隙或裂缝之中，堵塞就越严重(图2.2)。图2.2 钻井液对油气层危害的示意图1—固相颗粒；2，4，7—水；3，5，8—油；6—泥质吸水膨胀（2）油、气流产生“水锁效应”。在井底正压差的作用下，钻井液中的自由水就会不断地向地层缝隙中渗透，在地层缝隙中形成一段水、一段油，(如图2.2)。由于油—水和气—水之间有表面张力，油气要想流入井眼中，就必须克服一段段水的表面张力所形成的阻力，这样，水就封锁了油气流入井内的通道，这就是所谓的“水锁效应”。井底正压差越大，失水量越大，钻井液浸泡时间越长，地层中的水量就越多，渗入地层中的深度就越大，一般为几十厘米，有时可达几米，甚至数十米，这就会严重阻碍油气流入，降低油气产量。（3）油、气层中泥质吸水膨胀，堵塞油、气通道。当钻至油气层，如果油气层中的黏土等泥质成分含量较高，那么在井底正压差的作用下，钻井液中的自由水就会进入油气层。油气层中的泥质成分吸水膨胀堵塞油、气通道，就会降低油、气产量。井底正压差越大，浸入油气层的自由水就会越多，堵塞就越严重。（4）降低机械钻速。在井底正压差的作用下，钻头破碎的岩屑会被紧紧地压在井底而不能及时离开，造成钻头对岩屑的重复破碎，从而影响钻头破碎岩石的效率，导致机械钻速下降。井底正压差越大，机械钻速越慢。（5）易形成黏附卡钻。钻井过程中，由于井眼不可能完全垂直，当井下钻具静止不动时，钻柱在井底正压差的作用下靠向井壁，与井壁滤饼紧密结合(陷入滤饼中)，如果静止时间较长，井底正压差较大就会把钻柱紧紧地压在井壁上，从而产生黏附卡钻。（6）易发生井漏。在钻井过程中，如果地层孔隙度大，渗透性好，那么，钻井液就会在较大的井底正压差的作用下发生渗透性漏失。
当然，井底正压差较大，对防止井喷是极其有利的。过去人们往往怕井喷而过大地增大钻井液密度，人为地增大井底正压差，这样做的结果是井虽未发生井喷，但油、气层却被堵塞了。过去，常常会看到这种现象，即有的油、气井在钻进时油、气显示很好，而完井试油时，却不出油产气，或者产油产气很少。因为石油钻井的主要目的是为了开发地下油、气资源，所以，我们在钻井过程中，必须尽量减少井底正压差。
为了多出油，快打井，减少卡钻、井漏等事故的发生，井底正压差应该是越小越好，最理想的钻井状态为井底压力等于地层压力，使井底压差等于零。在井底压力等于地层压力条件下的钻井过程为平衡钻井。平衡钻井是很难做到的，一般情况下是使井底压力稍大于地层压力，保持最小的井底正压差，这种在井底压力稍大于地层压力条件下的钻井过程为近平衡钻井，近平衡钻井有以下优点：（1）避免堵塞油气缝隙，有利于发现与保护油气层。（2）提高机械钻速。（3）防止黏附卡钻。（4）防止井漏。2.2.1 正常地层压力
地质上认为，含有油、气、水的地层是通过渗透性地层形成的缝隙与出露在地表的地层相互沟通，在这个相互沟通的缝隙内充满着地层水(图2.3)。图2.3 正常地层压力形成示意图1—地表；2—地层缝隙；3—地层水；4—油层；5—油井2.2.1.1 正常地层压力的定义与计算
某地区的正常地层压力就是该地区较为普遍的地层水所形成的静液柱压力，其计算公式为：p=ρgH=0.0098ρH（2.2）式中 p——正常地层压力，MPa；3
ρ——地层水密度，g/cm；2
g——重力加速度，g=9.8m/s；
H——地层深度，m。
地层深度一定是地层垂直深度，与某深度的地层相互沟通的出露在地表的位置与该地层的水平距离可以达到数十千米，产生沟通作用的渗透性地层的倾斜距离会更多，这种水平距离、倾斜距离都不能作为计算正常地层压力的依据。3
[例题2.2]某地区较为普遍的地层水密度为1.07g/cm，求地层垂直深度分别为1000m，2000m和3000m的正常地层压力为多少?
解：p=0.0098ρH=0.0098×1.07×1000=10.486(MPa)；1
p=0.0098ρH=0.0098×1.07×2000=20.972(MPa)；2
p=0.0098ρH=0.0098×1.07×3000=31.458(MPa)3
答：地层垂直深度分别为1000m，2000m和3000m的正常地层压力分别为10.486MPa，20.972MPa和31.458MPa。2.2.1.2 正常地层压力表示方法（1）用压力的具体数值表示地层压力。
如在例题2.2中，地层垂直深度分别为1000m，2000m和3000m的正常地层压力分别为10.486MPa，20.972MPa和31.458MPa。（2）用地层压力梯度表示地层压力。
由例题2.2可以看出，正常地层压力与地层深度成正比，地层深度增加几倍，正常地层压力随着增加几倍；同样，地层深度减小，地层压力也随着减小。它们扩大、减小的规律是：地层压力和地层深度的比值总是一定的。这个定值10.486MPa/m就是某地区的正常地层压力梯度。
地层压力梯度是单位地层深度地层压力的变化量。其计算公式为：G===0.0098ρ（2.3）式中 G——地层压力梯度，MPa/m；
p——地层压力，MPa；
H——地层深度，m。
对于某地区来说，由于地层水密度是一定的，所以某地区的正常地层压力梯度是一个固定不变的值。正常地层压力梯度能够较直观地表示某地区的正常地层压力。在异常压力地层，同样可以用异常地层压力梯度来表示异常压力地层。
[例题2.3]某地区3500m以上为正常地层压力，测得地层深度为2500m处的地层压力为26.215MPa，求该地区的正常地层压力梯度。
解：G=p/H=26.215/2500=0.0105(MPa/m)
答：该地区的正常地层压力梯度为0.0105MPa/m。3
[例题2.4]某地区地层水密度为1.05g/cm,求该地区正常地层压力梯度。
解：G=0.0098ρ=0.0098×1.05=0.0103(MPa/m)。
答：该地区正常地层压力梯度0.0103MPa/m。
在钻井施工前，我们如果已经了解本地区的正常地层压力梯度，那么，在钻井过程中，如果想知道某地层深度的正常地层压力的具体数值，只要将正常地层压力梯度乘以地层深度即可。
[例题2.5]某地区正常地层压力梯度为0.0118MPa/m，当井深为2000m时，地层压力为多少?
解：p=GH=0.0118×2000=23.6MPa
答：地层压力为23.6MPa。（3）用地层压力当量钻井液密度表示地层压力。
地层压力梯度消除了地层深度的影响，如果同时消除地层深度和重力加速度的影响，那么，地层压力便可直接用地层压力当量钻井液密度来表示，地层压力当量钻井液密度就是平衡地层压力所需的钻井液密度，有：ρ===pe（2.4）3式中 ρ——地层压力当量钻井液密度，g/cm。e
由式（2.4）可知，正常地层压力当量钻并液密度的数值等于形成地层压力的地层水密度。因此，只要知道某地区的地层水密度，就能直接得到正常地层压力当量钻井液密度，钻井工作者便可以采用相当的钻井液密度实现平衡钻井，或者采用比地层压力当量钻井液密度略高的钻井液密度，实施近平衡钻井。由于地层压力当量钻井液密度易与钻井中所用的钻井液密度形成对比，因此用地层压力当量钻井液密度表示地层压力较之地层压力梯度更为直观。
[例题2.6]地层深度为2000m时，地层压力为20.972MPa，问地层压力当量钻井液密度为多少?
解：3ρ=p/（0.0098H）=20.972/（0.0098×2000）=1.07g/cme3
答：地层压力当量钻井液密度为1.07g/cm。
由于各地区的地层水矿化度各不相同，有的是淡水，有的是海水，有的是盐水，因此，各地区的地层水密度也各不相同。所以，各地区的正常地层压力当量钻井液密度值也各不相同。例如，胜利油田为3331.02g/cm，东南亚为1.03g/cm时，墨西哥湾为1.07g/cm。（4）用地层压力系数来表示地层压力。
当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时，人们在叙述时要3说某地区正常地层压力为1.07g/cm。为了叙述方便起见，人们往往把单位去掉，而说某地层压力为1.07，这就是地层压力系数。
地层压力系数是指某地层深度的地层压力与该深度处的淡水静液柱压力之比。地层压力系数无量纲，其数值等于平衡该地层压力所需钻井液密度的数值，即：K====ρ（去掉单位）（2.5）
如2000m深度的地层压力为20.972MPa，相同深度的淡水静液柱压力为1×0.0098×2000=19.6MPa,则：地层压力系数=20.972MPa/19.6MPa=1.07
在钻井工作中谈到地层压力时，上述4种表示方法都可能用到，当用地层压力当量钻井液密度表示地层压力时，可以不再说明是地层压力当量钻井液密度而直接称之为地层压力。由于它们的数值与单位都相同，所以要按上下文的意思进行理解，以与钻井液密度相互区别。
在前面我们提到地层压力、地层压力梯度、地层压力当量钻井液密度、地层压力系数时仅对正常地层压力进行了一些阐述。实际上上述概念也适用于其他压力，如异常高压层、异常低压层、静液柱压力、地层破裂压力等。3
[例题2.7]如地层液体密度ρ为1.20g/cm,试求垂直深度为2000mp处地层压力、地层压力梯度、地层压力当量压井液密度、地层压力系数。
解：地层压力p=0.0098ρH=0.0098×1.20×2000=23.52MPa；pp
地层压力梯度G=0.0098ρ=0.0098×1.20=0.01176MPa/m；pp3
地层压力当量压井液密度ρ=ρ=1.20g/cm;ep
地层压力系数K=1.20。2.2.2 异常地层压力
在钻井过程中所遇到的压力不单是正常地层压力，还经常会遇到异常低压地层和异常高压地层。2.2.2.1 异常低压层
异常低压层是指地层压力低于正常地层压力的地层。3
在一般情况下，地层压力小于1.00g／cm的地层才称之为异常低3压层(或低压层)，低压层的压力可能低到0.80g／cm，甚至更低。
异常低压的成因:（1）生产多年的衰竭油气层；（2）大量生产而没有充分注水补偿的油气产层；（3）同一水动力系统的地层露头低于井口；（4）地下水位很低。2.2.2.2 异常高压层
异常高压层是指地层压力高于正常地层压力的地层（图2.4）。图2.4 砂岩层的正常压力与异常压力3
在一般情况下，地层压力高于1.07g／cm的地层才称之为异常高3压层(或高压层)，高压层的压力可能高到2.35g／cm，甚至更高。
异常高压的成因:主要有沉积压实不均、水热增压、渗透作用和构造作用等。应该清楚地懂得，任何一种含油气的地质构造，都可能是异常高压层。3
总上所述：正常压力地层ρ=1.0～1.07g/cm；异常高压地层p33ρ>1.07g/cm；异常低压地层ρ<1.0g/cm。pp2.2.3 上覆岩层压力
上覆岩层压力是某深度以上的岩石和其中流体对该深度所形成的压力。地下某一深处的上覆岩层压力就是指该点以上至地面岩石的重力和岩石孔隙内所含流体的重力之总和施加于该点的压力。这种情况与把圆柱体放在桌面上的情况很相似。地下岩石平均密度为2.16～32.64g/cm。于是平均上覆岩层压力梯度大约为0.02262MPa／m。
上覆岩层压力的计算公式：p=0.0098H[（1-φ）ρ+φρ]orm(2.6)式中 p——上覆岩层压力，MPa；o
H——该处垂直深度，m；3
ρ——岩石孔隙中流体的密度，g/cm；
φ——岩石孔隙度，％；3
ρ——岩石密度，g/cm。rm
上覆岩层压力与地层孔隙压力的关系是：p＝M+pop(2.7)式中 p——上覆岩层压力，MPa；o
M——基体岩石重力，MPa；
p——地层孔隙压力，MPa。p
同样，可以写成：G＝G+GoMp式中 G——上覆岩层压力梯度，MPa／m；o
G——基体岩石压力梯度，MPa／m；M
G——孔隙压力梯度，MPa／m。p2.2.4 地层破裂压力2.2.4.1 地层破裂压力的概念
地层破裂压力是指某一深度地层发生破碎和形成裂缝时所能承受的压力。井内压力过大会使地层破裂并将全部压井液漏入地层。
在地层破裂之前，液体首先必须穿入地层，这就是说，作用在地层上的压力必须超过地层压力，井中压力必须大于岩石的强度。例如，花岗岩是非常硬的，所以其破裂压力梯度也会很高。另一方面，砂岩或破碎灰岩是比较软的，所以容易破裂。
地层破裂压力p的计算：fp=0.0098ρHfff(2.8)式中 p——地层破裂压力,MPa；f3
ρ——地层破裂压力当量密度,g/cm；f
H——漏失层垂直深度，m；f
地层破裂压力梯度G=p/H=0.0098ρffff(2.9)式中 G——地层破裂压力梯度，MPa/m。f2.2.4.2 掌握破裂压力的重要性
为了合理进行井身结构设计和制定施工措施，除了掌握地层压力梯度剖面外，还应了解不同深度处地层的破裂压力。在钻井中，合理的压井液密度不仅要略大于地层压力，还应小于地层破裂压力，这样才能保持油气层，获得高钻速，实现安全高效钻井。破裂压力是确定最大关井压力的依据。2.2.4.3 影响地层破裂压力的主要因素（1）取决于其自身的特性。这些特性主要包括地层中天然裂缝的发育情况、它的强度及其弹性常数的大小。（2）地层压力对其破裂压力有很大的影响。一般来说，地层的孔隙压力越大，其破裂压力也越高。（3）地层破裂是地层受力作用的结果，与地层中存在的地应力大小有很大关系。2.2.4.4 地层破裂压力试验
试验目的：（1）检查注水泥作业的质量。每层套管注完水泥并钻掉水泥塞后，再钻1m新井眼，进行液压试验，检查套管鞋处水泥封闭质量。（2）实测地层破裂压力。
试验方法和步骤：（1）井眼准备。钻开套管鞋以下第一个砂层后，循环调整压井液性能，使压井液密度均匀稳定。一般钻3～5m，最多不超过10m新井眼。（2）上提钻具，关封井器。（3）用小排量高压泵以0.8～1.32L/s的排量缓慢向井内注入压井液（最好用水泥车）。（4）准确记录不同时间的注入量和井口压力。（5）一直注到井内压力不再升高并有下降（地层已经破裂漏失），停泵，记录数据后，从节流阀泄压。（6）在直角坐标系内作出以井口压力与泵入量为坐标的试验曲线；如果泵速不变，也可作出井口压力和泵入时间的关系曲线。如图2.5所示。图2.5 地层破裂压力试验曲线（7）从图2.5上确定以下各压力值：
漏失压力p，单位为MPa,即开始偏离直线的点的压力值，此点L之后的压力仍然上升，但非直线上升；破裂压力p，单位为MPa，是R最大压力值点的压力，此点之后压力下降。2.2.4.5 最大允许压井液密度的计算方法（1）计算地层破裂压力p。f
钻井工程中，一般以漏失压力p作为允许压力，根据p值计算破LL裂压力及破裂压力梯度。p=p+0.0098ρHfLmf(2.10)式中 p——地层破裂压力，MPa；f
p——漏失压力,MPa；L
H——套管鞋处垂深,m。f（2）计算地破裂压力梯度。GG=p/Hffff（2.11）式中 G——地层破裂压梯度，MPa/m；其他符号含义同前。f（3）破裂压力当量压井液密度ρ。mfρ=102p/Hmfff（2.12）ρ=102Gmff（2.13）3式中 ρ——破裂压力当量压井液密度，g/cm；其他符号含义同前。mf图2.6 最大允许关井套压与井内压井液密度的关系（4）确定最大允许压井液密度ρ。mmax
考虑安全附加压力，实际允许的最大压井液密度应小于地层破裂3压力当量压井液密度。通常表层套管取安全附加压力S=0.06g/cm，f3技术套管S=0.12g/cm，则：f3
表层套管以下ρ=ρ-0.06,g/cm；mmaxmf3
技术套管以下ρ=ρ-0.12,g/cm。mmaxmf（5）最大允许关井套压与井内压井液密度的关系。
如图2.6，以地层最大破裂压力为纵坐标，以最破裂压力当量压井液密度为横坐标，把两点连接成一直线，则很快得出所用压井液密度的最大允许关井套压。2.3 井底压力
为了实施近平衡钻井，我们在掌握了地层压力的基本知识后，还必须理解和掌握井底压力的基本知识。井底压力主要包括有：钻井液静液柱压力、抽汲压力、激动压力、环空流动阻力。2.3.1 静液柱压力
钻井液静液柱压力是井内钻井液液柱重量所产生的压力。如图2.7所示。图2.7 钻井液静液压力和地层压力
我们已经知道，钻井液静液柱压力是井底压力的主要压力，它对井底压力起决定性因素，有时人们认为，井底压力就是钻井液静液柱压力。现在，我们进一步深入分析一下钻井液静液柱压力。2.3.1.1 静液柱压力的定义与计算
静液柱压力可用式（2.14）计算：p=0.0098ρHmm(2.14)式中 p——钻井液静液柱压力，MPa；m3
ρ—钻井液密度，g/cm；m
H——钻井液液柱高度，m。
在一般情况下，井眼内是充满钻井液的，因此，钻井液液柱高度一般以井深的数值进行计算。在定向斜井中，井深一定要是垂直井深。2.3.1.2 静液柱压力的影响因素
由钻井液静液柱压力的计算公式可知，钻井液静液柱压力的影响因素是钻井液密度的变化和钻井液液柱高度的变化。
钻井液密度的变化：（1）钻速越快，岩屑越多，钻井液密度增加越快，钻井液静液柱压力增加越快；反之，钻井液静液柱压力减少。（2）向钻井液中加入重晶石粉等加重材料或固体处理剂后，钻井液密度增加，钻井液静液柱压力增加。（3）向钻井液中加水或雨水通过钻井液池或钻井液罐进入钻井液中，会使钻井液密度下降，从而钻井液静液柱压力减小。（4）发生油气水侵后，钻井液密度减小，钻井液静液柱压力减小。由于天然气比较轻，因此钻井液气侵会严重影响钻井液密度，使钻井液静液柱压力大幅度下降。（5）钻井液中加入絮凝处理剂，固相颗粒在钻井液罐等地面设备中絮凝沉淀，并被有关设备排除出去，使钻井液密度减小，从而钻井液静液柱压力减小。
钻井液静液柱高度的变化：（1）井越深，钻井液静液柱高度越大，钻井液静液柱压力越大。（2）井深一定，起出一定数量的钻柱后，井眼内的钻井液高度就要下降，钻井液静液柱压力也随之下降。（3）当钻遇易漏层后，钻井液发生漏失，井眼内钻井液高度下降，钻井液静液柱压力下降。（4）开泵过猛，下钻过快而造成井下压力激动，引起井漏，使井眼内钻井液高度下降，从而使钻井液静液柱压力下降。2.3.2 波动压力2.3.2.1 波动压力的定义
波动压力是抽汲压力和激动压力的总称。
抽汲压力是指由于上提钻柱，而使井底压力减小的压力。抽汲压力值就是阻挠压井液向下流动的流动阻力值。
激动压力是指由于下放钻柱，而使井底压力增加的压力。激动压力值就是阻挠压井液向上流动的流动阻力值。2.3.2.2 波动压力给施工带来的危害
管柱提升速度快，压井液切力大、黏度大，井眼缩径和钻头泥包都将引起过大的抽汲压力，过大的抽汲压力是引起井喷和井眼垮塌的因素，因此应引起足够的重视。
引起过大激动压力的主要因素是下钻速度快，其他影响因素同抽汲压力。过大的激动压力会引起井漏，带来的危害更大2.3.2.3 引起波动压力的主要原因（1）压井液静切力引起的波动压力。
压井液静止时，黏土颗粒之间要形成网状结构，静止时间越长，网状结构的强度越大，压井液静切力也随之增大。当压井液由静止状态变为流动状态时，必须先克服静切力，然后压井液才会流动。
在井内的压井液和钻柱都处于静止状态时，钻柱由静止状态变为运动状态，而压井液却不能在钻柱运动的同时立刻产生流动，必须克服压井液的静切力后才能开始流动。因此下放钻具的开始，为克服压井液的静切力，会使井底压力增加，即产生激动压力；相反，起升钻柱时，会产生抽汲，使井底压力减小。压井液的静切力越大，产生的激动压力和抽汲压力越大。（2）起下钻引起的波动压力。
起钻时，钻柱在井内的体积不断减小，压井液要充填起出钻柱所空出的空间而向下流动，产生流动阻力，使井底压力减小。下钻时，井内钻具体积不断增加，排挤压井液向上流动，而产生流动阻力，使井底压力增加。（3）惯性力引起的波动压力。
在起下钻或接单根等作业中，钻柱的运动有加速和减速的过程，从而产生惯性力。引起井内压力波动。加速度越大，产生的波动压力越大。2.3.2.4 减小波动压力对井眼影响的措施（1）控制起下钻速度，不要过快。在钻开高压油气层和压井液性能不好时，更应注意。（2）起下钻具时，防止猛提猛刹，防止过大的惯性力产生的波动压力。（3）要调整好压井液性能，防止因切力、黏度过大产生无穷大的波动压力。（4）要保持井眼畅通，防止钻头泥包、井眼缩径等造成的严重抽汲。2.3.2.5 波动压力的影响因素
抽汲压力的影响因素。（1）起钻时加速度或速度越大，随同钻柱一同上行的钻井液就越多，抽汲压力就越大。
无论起钻速度多慢，抽汲作用都会存在，但我们应当尽量减小抽汲作用，并必须使钻井液液柱压力始终能够平衡地层压力。这样才可以防止溢流和井涌。（2）黏度、切力越大，钻井液向下流动的阻力就越大，抽汲压力越大。（3）井径越不规则，摩擦系数越大，钻井液向下流动的阻力就越大，抽汲压力越大。（4）井眼环形空间尺寸越小，胶皮护箍尺寸越大，钻头泥包程度越大，钻井液向下流动的阻力就越大，抽汲压力越大。如果泥包特别严重，钻具与泥包钻头在井眼内就会象一个打气筒或皮下注射器一样将油气水大量抽汲到井内。（5）井越深，钻柱越长，随钻柱一同上行的钻井液就越多，钻具中间和环空中间的钻井液就越不能及时充填空出的井眼空间，因此，抽级压力就越大。
最大的抽汲作用是钻头刚离开井底的时候，因此，在起钻前期，很容易把地层流体抽入井内。
激动压力的影响因素：（1）黏度、切力越大，对钻井液产生的流动阻力越大，激动压力越大。（2）井径越不规则，摩擦系数越大，对钻井液的流动阻力越大，激动压力越大。（3）下钻时加速度或速度越大，下入的钻柱体积就越多，被挤出的钻井液体积就越多。钻井液向上流动的速度就越大，由钻井液黏度、切力等引起的流动阻力也越大，激动压力也越大。2.3.2.6 波动压力的形成过程分析（1）抽汲压力的形成过程分析。
如图2.8，上提钻柱时，钻柱下端会因钻柱上升而空出一部分环形空间，井内的钻井液应该向下流动，迅速充满这个空间，但是由于钻具内壁和外壁与钻井液之间存在有摩擦力且钻井液具有一定的黏度和切力，从而对钻井液的向下流动产生一定的流动阻力，其结果是只有钻柱内中间的部分钻井液向下流动，而紧靠钻具内外壁的钻井液却附在钻柱上随钻柱一同上行，这部分钻井液失去了对井底的压力作用，从而使井底压力降低；另外，当上提钻柱时，环形空间的钻井液也力图填补因钻柱上升而空出来的井眼空间，但是，由于井壁与钻井液之间也存在有摩擦力，再加上钻井液的黏度与切力，这就又对环形空间的钻井液向下流动产生了一定的流动阻力，其结果是只有环形井眼中间的钻井液能够迅速充满环形空间，而紧靠井壁的钻井液却不能迅速充满空出的井眼空间，这部分钻井液也失去了对井底的压力作用，使井底压力减小（图2.9）。图2.8 抽汲压力的产生示意图图2.9 起钻时钻井液流速分布
抽汲压力就是由于上提钻柱而使井底压力减小的压力。抽汲压力值就是阻挠钻井液向下流动的流动阻力值。
由于抽汲压力的存在，使得井内钻井液不能及时充满上提钻柱时空出来的井眼空间，这样，在钻头下方就会对地层中的流体产生抽汲作用，而使地层流体进入井内造成油气水侵。（2）激动压力的形成过程。
如图2.10，下放钻柱时，钻柱下行，挤出钻柱下端的钻井液向上流动，由于井径不规则和钻井液具有一定的黏度与切力，从而对钻井液向上流动产生一定的流动阻力使钻井液难于向上流动，只有克服了这个流动阻力，钻井液才会向上流动。在钻柱下行克服这个流动阻力迫使钻井液向上流动时，井壁与井底也承受了该流动阻力，因此，使井底压力增加，形成激动压力。图2.10 激动压力的产生示意图
动压力就是由于下放钻柱而使井底压力增加的压力，激动压力值就是阻挠钻井液向上流动的流动阻力值。2.3.3 环空流动阻力2.3.3.1 环空流动阻力定义
流动阻力:在压力的推动下压井液从泵进入循环系统。由于压井液循环及其与所碰到的物体发生摩擦所引起的压力降低。
环空流动阻力：循环压井液时，压井液在环空上返。产生的流动阻力作用于井底，使井底压力增加。当停止循环时，流动阻力消失。压井液经地面管汇，沿钻柱向下，通过钻头喷嘴而后沿环形空间上返，当钻井液返至地面进入钻井液池时，处于大气压的情况下，表压为零，数十兆帕的压力损失到循环系统中。损失压力的大小取决于钻井液密度，钻井液的黏度、排量和流通面积，大部分压力损失在钻柱内和钻头喷嘴处。如图2.11所示。图2.11 井内循环压力损失示意图2.3.3.2 环空流动阻力的形成过程
在钻井过程中，当开泵循环钻井液，钻井液在井眼环形空间上返流动时，由于井径不规则，钻井液具有一定的黏度、切力等因素，从而对钻井液向上流动产生一定的流动阻力，这个流动阻力就是环空流动阻力。在钻井泵克服这个流动阻力迫使钻井液向上流动时，井壁和井底也承受了该流动阻力，因此，使井底压力增加。当停泵钻井液停止循环时，流动阻力消失，井底压力又减小。2.3.3.3 环空流动阻力的影响因素
钻井液上返速度越大，井越深，井径越不规则，环空间隙越小，钻井液密度越高，黏度、切力越高，环空流动阻力越大；反之，环空流动阻力越小。
环空流动阻力的大小取决于以下因素：（1）压井液上返速度。（2）环空间隙；（3）井深和压井液性能；
如返速越大、井越深，环空间隙越小，压井液密度和黏度越高，则流动阻力越大；反之，流动阻力则越小。2.3.4 井底压力2.3.4.1 井底压力的定义
井内各种压力和地面对井内施加的各种压力之总和对井底产生的压力。这个压力随井下作业不同而变化。2.3.4.2 不同工况下井底压力的计算方法（1）井内钻井液处于静止状态（包括空井、电测、射孔等）时：井底压力=钻井液静液柱压力（2）下钻时：井底压力=环空钻井液静液柱压力+激动压力（3）钻进时：井底压力= 环空钻井液静液柱压力+环空流动阻力+钻井液中岩
屑引起的附加压力（4）起钻时：井底压力= 环空钻井液静液柱压力-抽汲压力-起钻时液面下降
而减小的压力（5）关井时：井底压力=环空钻井液静液柱压力+井口套压+气侵附加压力（6）压井循环时：井底压力= 环空钻井液静液柱压力+环空流动阻力+井口节流阀回压+气侵附加压力
由以上公式可以看出，在钻井液静液柱压力一定的情况下，起钻时井底压力最小，而下钻和钻进时井底压力较大。
[例题2.8]某定向井钻至井深H=3820m，相应垂深H=3210m，起13钻前压井液密度ρ=1.46g/cm，若起钻抽汲压力p为1.57MPa，起钻抽未及时灌压井液引起静液压力减小值p为0.3MPa，求起钻时井底压减力p为多少？b
解：p=ρH-p-p=0.00981×1.46×bg1抽减3210-1.57-0.3=45.93-1.57-0.3=44.06MPa2.4 钻井液密度的确定2.4.1 安全钻井时钻井液密度确定的基本原理
初级井控的目的是防止地层液体进入井内，为此需保持井底压力略大于地层压力。要实现近平衡，需研究怎样最合理地确定压井液密度。
井眼的裸眼井段存在着地层孔隙压力、压井液柱压力和地层破裂压力。3个压力体系必须满足以下条件：p≥p≥pfmp(2.15)式中 p——地层孔隙压力；p
p——压井液柱压力；m
p——地层破裂压力。f
所确定的压井液密度还要考虑保护油气层、防止黏卡满足井眼稳定的要求。为确保初级井控成功，在各种作业中，均应使井底压力略大于地层压力，这样可达到近平衡钻井和保护油气层的目的。
如果在钻井过程中所采用的钻井液密度只有在井内钻井液处于静止状态时才能平衡地层压力，那么，在起钻时，由于抽汲压力的存在和起出钻柱液面下降等原因，井底压力就会小于地层压力，从而造成井侵与溢流。2.4.2 钻井液密度的计算
通常确定压井液密度的原则是最小井底压力等于地层压力。确定方法如下：（1）按公式计算。
压井液密度可用式（2.16）来计算ρ=\[102(p-p-p)]/Hmpsbdp(2.16)3式中 ρ——压井液密度，g/cm；m
p——抽吸压力，MPa；sb
p——起钻液面下降压井液柱压力减小值，MPa；dp
p——地层压力，MPa；p
H——产层埋藏深度，m。（2）附加当量密度。
为了预防溢流，就必须在平衡地层压力所需的钻井液密度的基础上再增加一个附加压力，这个附加压力应能平衡抽汲压力等。因此，确定钻井过程中钻井液密度的公式是：ρ=ρ+ρmce（2.17）式中 ρ——钻井过程中的钻井液密度；m
ρ——地层压力当量钻井液密度；c
ρ——附加压力当量钻井液密度。e
我们可以采用自动灌钻井液等方法，使起钻时液面下降高度减小或不下降。因此起钻时液面下降而减少的压力不大，有时可忽略不计。而抽汲压力是不可忽视的，只要钻柱上提，就会有抽汲压力，减小上提钻柱的速度，只能减小抽汲压力，但不能消除抽汲压力。影响抽汲压力的因素很多，其值变化范围较大。根据计算可知，抽汲压力当量3钻井液密度一般为0.03～0.13g/cm，国外要求把抽汲压力当量钻井3液密度减小到0.036g/cm左右，考虑到气侵对钻井液密度的影响，地层压力预报的误差等因素，附加压力应比抽汲压力略高。只有这样，才能在整个钻井过程中保证井底压力大于地层压力，以防止井侵与溢流。
中国石油天然气集团公司对附加压力当量压井液密度值的规定如下：3
油井ρ=0.05～0.10g/cm或附加压力1.5～3.5MPa；e3
气井ρ=0.07～0.15 g/cm或附加压力3.0～5.0MPa。e
在实际工作中应根据灌钻井液的措施、钻井液黏切等性能、地层压力预报精度等条件在规定范围内合理确定ρ值；e
因为ρ=c
所以ρ=+ρme(2.18)
[例题2.9]某井井深为3200m时气层压力预报为50MPa，试确定钻开该气层所需的钻井液密度。3
解：附加压力当量钻井液密度ρ取0.10g/cm,有：e3ρ=+ρ=50/（0.0098×3200）+0.10=1.69g/cmme3
答：钻开气层时钻井液密度为1.69g/cm。（3）根据井眼施工工况适当调整钻井液的密度。
由于在钻井中（特别是钻探井）对地层压力值了解得不确切，因此在施工中，应根据井的工况适时调整钻井液密度，以免发生溢流或其他复杂问题。第3章 气侵与溢流3.1 溢流的原因与预防
当由于各种因素的影响造成底压力小于地层压力时，将会产生井侵与溢流。溢流井喷发生的原因可以概括为14个方面：（1）起钻抽吸，造成诱喷。（2）起钻不灌钻井液或没有灌满。（3）不能及时准确地发现溢流。（4）发现溢流后处理措施不当。比如，有的井发现溢流后不是及时正确地关井，而是继续循环观察，致使气侵段钻井液或气柱迅速上移，再想关井，为时已晚。（5）井口不安装防喷器。井口不安装防喷器主要是认识上的片面性：其一，实行口井大承包后，片面追求节省钻井成本，想尽量少地投入钻井设备，少占用设备折旧；其二，认为地层压力系数低，不会发生井喷，用不着安装防喷器；其三，井控装备配套数量不足，配有的防喷器只能保证重点探井和特殊工艺井,认为装不装防喷器都可以；其四，认为几百米的浅井几天就打完了，用不着安装防喷器。（6）井控设备的安装及试压不符合Q/SY 1552—2012《钻井井控技术规范》的要求。比如：放喷管线、钻井液回收管线、内控管线各部位的连接不是法兰螺纹连接，而是现场低质量的焊接；连接管线的尺寸、壁厚、钢级不合要求。弯头不是专用的铸钢件，弯头小于90°；放喷管线不用水泥基墩固定，或是虽然固定了但间隔太远;放喷管线没有接出井场，管线长度不够；防喷器及节流管汇各部件没有按规定的标准试压，各部件的阀门出现问题最多，有的打不开，有的关不上，有的刺漏;防喷器不安装手动操纵杆，不安装灌钻井液管线，而是把高压内控管线当作灌钻井液管线使用；井口套管接箍上面的双公升高短节螺纹不规范，造成刺漏；防喷器与井口安装不正、关井时闸板推不严，造成刺漏；防喷器橡胶件老化，不能承受额定压力；控制系统储能器至防喷器的液压油管线安装不规范，漏油；储能装置控制系统摆放位置不合要求等。（7）井身结构设计不合理。表层套管下的深度不够，技术套管下的深度又过深，当钻到下部地层遇有异常压力而关井时，在表层套管鞋外憋漏，钻井液窜至井场地表，无法实施有效关井。还有的井应该在打开油气层前实施先期完成，可往往设计上却是后期完成，给井控工作带来了麻烦。（8）对浅气层的危害性缺乏足够的认识。许多人认为浅气层井浅，最多几百米深，地层压力低，不会惹麻烦。而实际上，井越浅，平衡地层压力的钻井液柱压力也越小，一但失去平衡，浅层的油气上窜速度很快，时间很短就能到达井口，很容易让人措手不及。而且浅气层发生井涌井喷，多是在没有下技术套管的井，即使关上井，很容易在上部浅层或表层套管鞋处憋漏。所以，浅气层的危害性必须引起人们的重视，要从井身结构和初级井控上下功夫。（9）地质设计未能提供准确的地层孔隙压力资料，造成使用的钻井液密度低于地层孔隙压力当量密度。（10）空井时间过长，又无人观察井口。空井时间过长一般都是由于起完钻后修理设备或是等技术措施。由于长时间空井不能循环钻井液，造成气体有足够的时间向上滑脱运移。当运移到井口时已来不及下钻，此种情况下关闸板防喷器不起作用，关环形防喷器要么没有安装，要么胶芯失效，往往造成井喷失控。（11）钻遇漏失层段发生井漏未能及时处理或处理措施不当。发生井漏以后，钻井液液柱压力降低，当液柱压力低于地层孔隙压力时就会发生井侵、井涌乃至井喷。（12）相邻注水井不停注或未减压。这种情况多发生在老油田、老油区打调整井的情况。由于油田经过多年的开发注水，地层压力已不是原始的地层压力，尤其是遇到高压封闭区块，它的压力往往大大高于原始的地层压力。如果采油厂考虑原油产量，不愿意停掉相邻的注水井，或是停注但不泄压，往往造成钻井的复杂情况发生。（13）钻井液中混油过量或混油不均匀，造成液柱压力低于地层孔隙压力。这种情况多发生在深井、探井、复杂井，出于减少摩阻、改善钻井液性能、稳定井壁、钻井工艺的需要，往往要在钻井液中掺入一定比例的原油。但在混油过程中，加量过猛导致不均匀，或是总量过多，都会造成井筒压力失去平衡。此外，当卡钻发生后，由于需要泡原油、柴油、煤油解卡，从而破坏了井筒内的压力平衡，此时如果不注意二级井控，常常会造成井涌、井喷，酿成更重大的事故。（14）思想麻痹，违章操作。由于思想麻痹、违章操作而导致的井喷失控在这类事故中占有一定的比例，解决这个问题主要要从严格管理和技术培训两个方面入手，做好基础工作。
下面针对溢流发生的原因提出一些预防溢流的具体措施。3.1.1 起钻时灌钻井液问题3.1.1.1 起钻时灌钻井液的原则
起钻时灌钻井液的原则如下：（1）至少每起出3～5个立根的钻杆，或起出一个立根的钻铤时，就需要检查一次灌入的钻井液量。灌钻井液前决不能让井内的液面下降超过30m。（2）应当通过灌钻井液的管线向井内灌钻井液，不能用压井管线灌钻井液。使用压井管线可能会使管线和阀门腐蚀，这样在应急的情况下就不能发挥其作用。（3）灌钻井液管线在防溢管上的位置不能与井口防溢管的出口管同一高度，如果两管同一高度则经过灌钻井液管线灌入可能直接从出口管流出，从而误认为井筒已灌满。（4）保证灌入钻井液体积等于起出钻柱的体积，以满足井底压力与地层压力的平衡。3.1.1.2 灌入钻井液体积的测量
在起钻时必须清楚地知道起出钻柱的体积，并及时测量实际灌入井内的钻井液体积。起出钻柱的体积取决于其长度、外径、内径。大多数普通尺寸的钻杆与钻铤，其尺寸可由钻具体积表查出。尽管体积的数值很容易计算，但是由于钻杆接头的影响，给钻具体积的计算增加了许多困难。因此钻具体积表对于知道起出钻柱的体积是特别有用的。
实际灌入钻井液的体积可用下列装置中的一种进行测量:（1）钻井液补充灌；（2）泵冲数计数器；（3）流量表；（4）钻井液池液面指示器。
钻井液补充罐是最可靠的测量设备。从井内起出一定数量的立根之后，它可以显示出需要灌多少钻井液来充满井眼。钻井液补充罐是33一个高而细的钻井液罐(容积为1.6～6.4m)，0.2m的钻井液进入井中后，罐内的钻井液面高度可显示出十几厘米的变化。钻井液补充罐通常用50L或 100L的增量来刻度。容积的测量可以使用这种刻度或者使用与正规钻井液池上装的类似的气动浮子传感器来进行。
最普通形式的钻井液补充罐是重力式灌注罐。钻具从井内起出，钻井液依靠重力从罐里流入井内。其他类型的补充罐使用一个小离心泵不断地把钻井液从补充罐循环到井里，溢流返回到钻井液补充罐。不论用哪一种补充罐，都要从主钻井液罐定期地泵送钻井液，装满钻井液补充罐。
钻井液补充罐在井控作业中还有其他用途，一方面可以用来测量泵的效率，另一方面也是强行起、下钻作业的一个组成设备。
若井场没有钻井液补充罐，可以用钻井泵向井内灌钻井液，由泵的冲数计来计量泵入钻井液的体积。根据泵缸套尺寸和泵的冲程，就3可以知道泵送1m钻井液需要多少冲数，只有精确知道泵的效率才能计算出精确的排量。泵的排量表不适合这项工作，如果使用泵冲数计数器，就需要定期地校验泵效率。
流量表可以用来监控泵送到井内的钻井液量，但是只有少数钻机上装有这种表。大多数流量表的精确度也受钻井液流变性的影响，如果没有校正和适当保养就可能得不到准确的数值。
钻井液池液面指示器反应钻具起出井筒后的钻井液应灌入量，但是大钻井液池里这种液面的变化不易检测出。起钻时，在主钻井液池上使用传感器，也不是一种计量灌注钻井液量的好办法。而有些钻机安装几个钻井液池，并可单独隔离一个小钻井液池，这样就大大地提高了计量的灵敏度，常常是一种可取的计量灌浆量的方法。
不论使用哪种灌钻井液的设备，灌入的钻井液量必须与起出钻具的体积进行比较，使之相等。现已有专门设备可以自动地进行上述这种比较，但大多数钻机上还没有配这种设备。在一定条件下，井队人员中增加一人专门负责控制灌入钻井液是完全必要的。在核对对灌入井内的钻井液体积是否等于起出钻柱的体积时，还应考虑起钻时钻台上喷钻井液而引起的损耗，有时此值较大。如果井眼不能充满适当的钻井液量，起钻作业就要停止，并采取安全措施。这需要重新下钻到井底，进行循环。3.1.2 过大的抽汲压力3.1.2.1 过大的抽汲压力引起溢流的原因
引起过大抽汲压力的原因是：（1）起钻时加速度或速度过大；（2）钻井液黏度、切力过大；（3）井径不规则；（4）环空间隙过小；（5）下放钻柱时减速过快；（6）钻头、扶正器泥包；（7）井壁虚滤饼太厚。3.1.2.2 减小过大的抽汲压力的方法
根据影响抽汲压力的因素，确定减小过大抽汲压力的方法如下：（1）起钻速度不要过快，不猛提猛刹钻具。在起钻后期，钻头进入技术套管或表层套管后，因为环空间隙减小，抽汲作用会相应增大，所以在起钻后期，不能仅根据钻机的起升能力而高速起钻，而应根据允许的抽汲压力值来决定起升钻柱的速度。在一般情况下，起钻前期特别是在油气层附近起钻应用一挡，起出油气层顶面10柱以上，才能用二挡，一般不用三挡起钻，在钻至油气水层后的全部起钻过程中，绝不准用高速起钻。（2）改善钻井液性能，使其黏度、切力、屈服值保持在适宜的数值上，降低滤失量。（3）钻进时排量要充足，防止干钻，避免出现泥包，出现泥包后，一定要缓慢起钻。（4）环形空间间隙要适当。3.1.3 钻井液密度偏小3.1.3.1 引起钻井液密度偏小的原因
引起钻井液密度偏小的原因主要有：（1）地层压力估计不准；（2）片面追求高的机械钻速和低成本而使用最低的钻井液密度；（3）向钻井液中加水或雨水通过钻井液池或钻井液罐进入了钻井液中；（4）钻井液中加入絮凝处理剂，固相颗粒在钻井液罐等地面设备中絮凝沉淀，并被有关设备排除出去，使钻井液密度减小；（5）发生油侵、气侵、水侵后的钻井液未经处理而重新泵入井内。3.1.3.2 防止钻井液密度偏小的原则
防止钻井液密度偏小的原则是：（1）采用合理的方法，准确估计地层压力。（2）在井底压力略大于地层压力的情况下，不得向钻井液中放水，钻井液罐要密闭，防止雨水进入钻井液中。（3）向钻井液中加入絮凝处理剂之前，钻井液人员要首先通知钻井工程技术人员，只有在保证井底压力大于地层压力的条件下，才能加入絮凝处理剂。
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