تفاوت بین ماد بالانس تحت فشار و ماد بالانس معمولی: راهنمایی جامع برای اندازه‌گیری چگالی سیالات حفاری

در صنعت حفاری نفت و گاز، اندازه‌گیری دقیق چگالی (دانسیته) سیالات حفاری (مانند گل حفاری یا سیمان چاه) از اهمیت بالایی برخوردار است. این اندازه‌گیری به کنترل فشار چاه، جلوگیری از فوران و حفظ پایداری چاه کمک می‌کند. دو ابزار اصلی برای این منظور، ماد بالانس معمولی (Conventional Mud Balance) و ماد بالانس تحت فشار (Pressurized Mud Balance) هستند. این دو ابزار بر اساس اصل تعادل وزنی کار می‌کنند، اما تفاوت‌های کلیدی در طراحی، عملکرد و دقت آن‌ها وجود دارد. در این مقاله، بر اساس اطلاعات از شرکت‌های معتبر مانند OFI Testing Equipment و Fann Instrument Company، و همچنین استانداردهای API، به بررسی دقیق این تفاوت‌ها می‌پردازیم.

مقدمه: اهمیت اندازه‌گیری چگالی در سیالات حفاری

سیالات حفاری اغلب حاوی هوا یا گاز محبوس (entrained air or gas) هستند که می‌تواند نتایج اندازه‌گیری چگالی را تحریف کند. این هوا باعث کاهش ظاهری چگالی می‌شود، در حالی که در شرایط واقعی زیرزمینی (downhole conditions)، چگالی واقعی بالاتر است. ماد بالانس‌ها ابزارهایی دقیق برای تعیین چگالی هستند که در واحدهایی مانند پوند بر گالن (ppg)، گرانش ویژه (specific gravity)، پوند بر فوت مکعب (lb/ft³) و PSI/1000 ft اندازه‌گیری می‌کنند. ماد بالانس معمولی برای شرایط ساده مناسب است، اما ماد بالانس تحت فشار برای دقت بالاتر در حضور گاز طراحی شده است.

وصیف ماد بالانس معمولی

ماد بالانس معمولی، مانند مدل Fann 140 یا OFITE، یک ابزار ساده و عملی برای اندازه‌گیری چگالی سیالات حفاری است. این ابزار شامل یک بازوی تعادل (balance beam) با یک فنجان نمونه (sample cup) در یک انتها و وزنه ثابت در انتهای دیگر است. یک وزنه لغزنده (rider) روی مقیاس مدرج حرکت می‌کند و حباب سطح (level bubble) نشان‌دهنده تعادل است.

طراحی و اجزا:
- فنجان نمونه با حجم ثابت.
- درپوش ساده (lid) برای جلوگیری از ریختن سیال.
- بازو با مقیاس‌های مدرج (مثلاً 6.5-23 ppg، 0.79-2.72 sg، 49-172 lb/ft³، 340-1190 PSI/1000 ft).
- پایه پلاستیکی یا فلزی برای حمل و نقل.
- اجزای اصلی: vial حباب سطح، shotwell برای کالیبراسیون، knife edge برای تعادل.
عملکرد:
1. فنجان را با سیال پر کنید.
2. درپوش را بگذارید و سیال اضافی را خارج کنید.
3. ابزار را تمیز کنید.
4. rider را حرکت دهید تا تعادل برقرار شود.
5. چگالی را بخوانید.
دقت: دقت تا ±0.1 ppg یا ±0.01 sg. اما در حضور هوا یا گاز محبوس، نتایج ممکن است نادرست باشد زیرا حجم هوا چگالی را پایین نشان می‌دهد.
کالیبراسیون: با آب تازه در 70°F (21°C) انجام می‌شود. rider را روی 8.3 ppg یا 1.0 sg تنظیم کنید و با اضافه/کم کردن shot فولادی تعادل کنید.
مزایا: ساده، ارزان، مقاوم به دما، مناسب برای سیالات بدون گاز زیاد.
معایب: حساس به هوا محبوس، که می‌تواند خطا ایجاد کند.

توصیف ماد بالانس تحت فشار

ماد بالانس تحت فشار، مانند مدل OFI 100-70 یا Fann TRU-WATE 141، مشابه نسخه معمولی است اما با قابلیت اعمال فشار برای کاهش حجم هوا یا گاز محبوس. این ابزار چگالی واقعی نزدیک به شرایط زیرزمینی را اندازه‌گیری می‌کند.

طراحی و اجزا:
- فنجان نمونه با حجم ثابت و درپوش با شیر چک (check valve) یک‌طرفه.
- پلانجر (plunger) یا پمپ برای اعمال فشار (حدود 50 lb نیرو).
- بازو با مقیاس‌های مشابه (مثلاً 6.9-21.9 ppg، 0.83-2.63 sg، 52-164 lb/ft³، 360-1130 PSI/1000 ft).
- مواد ساخت: فولاد ضدزنگ ماشین‌کاری‌شده برای دوام و مقاومت به خوردگی.
- اجزای اضافی: سیلندر فشاری، O-ringها برای آب‌بندی، cap برای درپوش.
عملکرد:
1. فنجان را با سیال پر کنید.
2. درپوش را بگذارید و فشار دهید تا سیال از شیر چک خارج شود.
3. cap را ببندید.
4. پلانجر را با سیال پر کنید و روی شیر چک قرار دهید.
5. فشار اعمال کنید (50 lb) تا هوا فشرده شود، سپس شیر چک را ببندید.
6. ابزار را تمیز کنید و rider را برای تعادل حرکت دهید.
7. چگالی را بخوانید.
دقت: دقت تا 0.01 g/ml یا 0.1 ppg. حجم هوا به مقدار ناچیز کاهش می‌یابد، بنابراین چگالی دقیق‌تر است (مطابق با استاندارد API).
کالیبراسیون:
- پایه: با آب دیونیزه تحت فشار، rider روی 1.0 sg.
- مجدد (پس از آسیب): با فیکسچر کالیبراسیون و وزنه‌ها برای بررسی در 1.0 و 2.0 sg.
مزایا: دقت بالا در حضور گاز، شبیه‌سازی شرایط downhole، دوام بیشتر.
معایب: پیچیده‌تر، نیاز به نگهداری O-ringها، گران‌تر.

ویژگی	ماد بالانس معمولی	ماد بالانس تحت فشار
handling هوا/گاز	حساس به هوا محبوس؛ نتایج ممکن است پایین‌تر نشان دهد.	هوا را فشرده می‌کند و حجم آن را کاهش می‌دهد؛ چگالی واقعی.
طراحی	ساده، بدون پلانجر؛ درپوش معمولی.	با شیر چک و پلانجر؛ آب‌بندی تحت فشار.
عملکرد	پر کردن ساده و تعادل مستقیم.	نیاز به اعمال فشار (50 lb) برای فشرده‌سازی.
دقت	خوب برای سیالات بدون گاز؛ خطا در حضور هوا.	بالاتر (تا 0.01 g/ml)؛ مناسب برای سیمان و گل با گاز.
محدوده اندازه‌گیری	مثلاً Fann 140: 6-24 ppg، 0.72-2.88 sg.	مثلاً OFI 100-70: 6.9-21.9 ppg، 0.83-2.63 sg.
کالیبراسیون	ساده با آب تازه؛ تنظیم shot.	پایه + مجدد با فیکسچر؛ بررسی O-ringها.
نگهداری	تمیزکاری ساده؛ بدون O-ring حساس.	بررسی O-ringها قبل از هر تست؛ تمیزکاری پلانجر.
کاربرد	تست‌های روتین در میدان بدون گاز زیاد.	شرایط با گاز محبوس، مانند سیمان چاه یا گل حفاری فوم‌دار.
قیمت و دوام	ارزان‌تر؛ پلاستیکی/فلزی.	گران‌تر؛ فولاد ضدزنگ، مقاوم به خوردگی.

از نظر استانداردهای API: هر دو ابزار با استانداردهای API برای تست سیالات پایه آب، پایه روغن و سیمان سازگار هستند، اما نسخه تحت فشار برای دقت بالاتر در حضور گاز توصیه می‌شود.
تاریخچه: ماد بالانس در دهه 1930 معرفی شد و نسخه معمولی از هیدرومتر دقیق‌تر بود. نسخه تحت فشار برای حل مشکل هوا توسعه یافت.

مزایا و کاربردها

ماد بالانس معمولی: برای تست‌های سریع در سایت حفاری مناسب است، جایی که هوا کم است. مثلاً در گل حفاری آب‌باز بدون گاز.
ماد بالانس تحت فشار: ایده‌آل برای سیمان چاه یا گل با هوا محبوس، زیرا چگالی واقعی تحت فشار چاه را شبیه‌سازی می‌کند. این ابزار خطرات ناشی از محاسبات نادرست فشار را کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

انتخاب بین ماد بالانس معمولی و تحت فشار بستگی به شرایط سیال دارد. اگر سیال حاوی هوا یا گاز باشد، نسخه تحت فشار دقت بالاتری ارائه می‌دهد و از خطاهای پرهزینه جلوگیری می‌کند. همیشه ابزار را کالیبره کنید (با آب تازه در 21°C) و نگهداری منظم انجام دهید. برای اطلاعات بیشتر، به دستورالعمل‌های شرکت‌هایی مانند OFITE (مدل 100-70) یا Fann (مدل 141) مراجعه کنید.