Reoloji nedir?
Mekanik kuvvetlerin etkisi altında kalan malzemelerde meydana gelen deformasyonu ve akışkanların akış özelliklerini inceleyen bilim dalına reoloji denir (Wilkinson, 2018).
Katılar, sıvılar ve gazlar da dahil olmak üzere tüm maddelerin kapsamına giren bu disiplin, malzeme bilimi, mühendislik, kimya, biyoloji ve jeoloji gibi birçok alanda önemli bir rol oynamaktadır.
Reolojinin Temel Unsurları
Bu alanda, dört temel unsur, malzemelerin davranışlarını anlamak ve tahmin etmek için kritik öneme sahiptir:
Deformasyon
Deformasyon, bir malzemenin orijinal şeklinin değişmesidir. Bu değişim, çeşitli şekillerde olabilir:
- Esneme: Malzeme gerildiğinde veya çekildiğinde uzunluğu artar.
- Bükülme: Malzeme bükülme kuvvetine maruz kaldığında şekli değişir.
- Kırılma: Malzeme uygulanan gerilime dayanamaz ve kopar.
- Akma: Malzeme sürekli deformasyona uğrar ve şeklini kaybeder.
Deformasyon türleri, malzemenin türüne ve uygulanan gerilimlere bağlı olarak değişir. Katılar, esneme ve kırılmaya karşı direnç gösterirken, sıvılar ve gazlar kolayca akar ve şeklini kaybeder.
Akışkanlık
Akışkanlık, bir malzemenin akma ve deformasyona karşı direncinin ölçüsüdür. Viskozite, akışkanlığın en yaygın ölçüsüdür ve bir sıvının akma hızını belirler. Yüksek viskoziteli sıvılar (bal gibi) akmaya karşı daha dirençlidir ve düşük viskoziteli sıvılar (su gibi) daha kolay akar.
Newtonian akışkanlar, sabit bir viskoziteye sahiptir, yani akış hızı, uygulanan gerilimle doğrusal olarak orantılıdır. Yağmur gölgesi akışkanlar ise artan gerilimle birlikte azalan viskoziteye sahiptir. Tiksotropik akışkanlar, zamana bağlı olarak akışkanlık özelliklerini değiştirir. Kesilmeye veya karıştırılmaya maruz kaldıklarında incelme eğilimindedirler.
Gerilim
Bir malzemeye uygulanan kuvvetin, malzemenin kesit alanına oranıdır. Pascal (Pa) birimiyle ölçülür. Gerilim ne kadar yüksekse, malzemeye uygulanan kuvvet o kadar fazladır.
Gerilim türleri şunlardır
- Çekme gerilimi: Malzemeyi uzatmaya veya ayırmaya eğilimli kuvvet.
- Basınç gerilimi: Malzemeyi sıkıştırmaya veya ezmeye eğilimli kuvvet.
- Kesme gerilimi: Malzemenin katmanlarını birbirine göre kaydırmaya eğilimli kuvvet.
Gerinme
Bir malzemenin deformasyon derecesinin ölçüsüdür. Oransızdır ve yüzdesel olarak ifade edilir. Gerinme ne kadar yüksekse, malzemenin şekli o kadar çok değişir.
Gerinme türleri şunlardır
- Mühendislik gerinmesi: Malzemenin orijinal uzunluğuna göre deformasyon oranı.
- Gerçek gerinme: Malzemenin anlık uzunluğuna göre deformasyon oranı.
Reolojik Davranış Türleri
Reoloji, malzemelerin farklı gerilmelere ve gerinmelere nasıl tepki verdiğini inceleyerek çeşitli reolojik davranış türlerini sınıflandırır. Bu türler, malzemelerin yapısına, moleküler etkileşimlerine ve uygulanan koşullara bağlı olarak değişir.
Newtonian Akışkanlar
Newtonian akışkanlar, sabit bir viskoziteye sahip olan sıvılardır. Bu, akış hızının uygulanan gerilimle doğrusal olarak orantılı olduğu anlamına gelir. Diğer bir deyişle, ne kadar fazla kuvvet uygularsanız, sıvı o kadar hızlı akar. Su, alkol, benzin ve yağ gibi yaygın sıvılar Newtonian akışkanlara örnektir.
Newtonian akışkanların viskozitesi, sıcaklığa bağlı olarak değişebilir. Sıcaklık arttıkça, çoğu sıvının viskozitesi azalır, yani daha kolay akarlar. Soğukluk ise viskoziteyi artırır ve sıvıların akmasını zorlaştırır.
Yağmur Gölgesi Akışkanlar
Yağmur gölgesi akışkanlar, artan gerilimle birlikte azalan viskoziteye sahip olan sıvılardır. Bu, ne kadar fazla kuvvet uygularsanız, sıvı o kadar hızlı akar ve daha az direnç gösterir demektir. Boya, mürekkep, erimiş polimerler ve bazı biyolojik sıvılar yağmur gölgesi akışkanlarına örnektir.
Yağmur gölgesi akışkanların viskozitesi, moleküllerin birbirine göre nasıl hizalandığıyla ilişkilidir. Düşük gerilimlerde, moleküller rastgele düzenlenmiş durumdadır ve akışı zorlaştırır. Yüksek gerilimlerde ise moleküller hizalanır ve akışı kolaylaştırır.
Tiksotropik Akışkanlar
Tiksotropik akışkanlar, zamana bağlı olarak akışkanlık özelliklerini değiştiren sıvılardır. Kesilmeye veya karıştırılmaya maruz kaldıklarında incelme eğilimindedirler ve dinlendiklerinde tekrar kalınlaşırlar. Diş macunu, ketçap, boya ve bazı kozmetik ürünler tiksotropik akışkanlara örnektir.
Tiksotropik akışkanların viskozitesi, moleküllerin birbirine bağlanmasıyla ilişkilidir. Kesilme veya karıştırma sırasında, bu bağlar kopar ve moleküller daha kolay hareket edebilir. Dinlenme halinde ise bağlar tekrar oluşur ve sıvı kalınlaşır.
Elastik Katılar
Elastik katılar, deformasyondan sonra orijinal şekillerine geri dönen malzemelerdir. Kauçuk, jel, esnek plastik ve bazı biyolojik dokular elastik katılara örnektir. Elastik katıların esnekliği, moleküllerin birbirine bağlanma şekliyle ilişkilidir. Gerilme uygulandığında, moleküler bağlar gerilir, ancak kopmaz. Gerilme kaldırıldığında ise bağlar eski haline döner ve malzeme orijinal şekline geri döner.
Plastik Katılar
Plastik katılar, kalıcı deformasyona uğrayan malzemelerdir. Kalıplanmış plastik, kil, hamur ve bazı metaller plastik katılara örnektir. Plastik katıların plastisiteleri, moleküllerin birbirine bağlanma şekliyle ve moleküllerin hareket kabiliyetiyle ilişkilidir. Gerilme uygulandığında, moleküller birbirlerinden kayabilir ve yeni bir şekle yerleşebilir. Bu deformasyon kalıcıdır ve malzeme orijinal şekline geri dönmez.
Reolojik davranış türlerinin anlaşılması, malzemelerin üretimi, işlenmesi ve kullanımı için önemlidir. Örneğin, diş macunu gibi tiksotropik bir akışkanın tüpten kolayca çıkması ve ağızda kalması için özel bir formülasyona ihtiyacı vardır. Elastik bir malzeme ise dayanıklı ve esnek olması için tasarlanmalıdır.
Reoloji, malzeme bilimi, mühendislik, kimya, biyoloji ve jeoloji gibi birçok alanda önemli bir rol oynayan karmaşık ve büyüleyici bir bilim dalıdır. Reolojik davranış türlerinin anlaşılması, yeni malzemelerin geliştirilmesine ve mevcut malzemelerin performansının iyileştirilmesine katkıda bulunur.
Sondaj Akışkanın Reolojik Özellikleri
Formasyon basıncının kontrolünde, kırıntıların kuyudan taşınmasında, kuyuyu temizlemede, basınç kontrolünde önemli rol almaktadır (Kaiser, 2009; Livescu, 2012). Viskozite, elastiste, plastisitedir (Du, Wang, Deng ve Cao, 2018). Bir akışkanın akmaya karşı göstermiş olduğu dirence viskozite denir.
Paralel iki tabaka arasına sıkıştırılmış bir lastik takozu düşünelim. Üstteki tabakanın sabit bir F kuvveti ile çekilip, alttaki tabakanın sabit kaldığı durumda, aradaki takoz alttaki tabakadan uzaklaşarak şekil değiştirir. Tabakalar ile lastik takoz arasında bir kaymanın olmadığı varsayılırsa; lastik takozun üst yüzeyi üsteki tabaka ile orantılı bir miktarda yer değiştirir iken lastik takozun alt yüzeyi sabit kalır.
Yatay doğrultuda tabakaya etki eden net kuvvet sıfır olduğu zaman denge durumundadır ve bundan dolayı tabakaya uygulanan F kuvvetine eşit ve tersi yönde bir kuvvet bulunmalıdır. Tabaka ve lastik takoz arasındaki yüzeyde sürtünmeden kaynaklı olarak bu zıt kuvvet meydana gelir. Üst tabaka ile lastik takozun temas ettiği yüzey alanı A ve ilk hareket için gerekli olan kuvvet F ise kayma gerilmesi (shear stress) F/A şeklinde gösterilir (Çengel ve Cımbal, 2007).
Görünür Viskozite (AV)
Bir akışkanın sabit bir kuvvetin etkisi altında akışı esnasındaki akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Yüksek AV, delme hızı, gaz giderme verimliliği, aşırı basınç, çamur kek kalitesi ve katıların sondaj sıvısından ayrılması üzerinde ciddi bir olumsuz etkiye neden olmasından dolayı önem arz etmektedir (Sanchez, Azar, Bassal ve Martins, 1997).
Görünür viskozite, akışkanın kayma gerilmesine (τ) karşı gösterdiği direncin, kayma hızı (γ) oranına eşittir. Matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:
AV = τ / γ
Burada:
- AV: Görünür viskozite (Pa·s)
- τ: Kayma gerilmesi (Pa)
- γ: Kayma hızı (s⁻¹)
Görünür Viskozitenin Ölçümü
Görünür viskozite, viskozimetreler kullanılarak ölçülür. En yaygın viskozimetre türleri şunlardır:
- Rotasyonel viskozimetreler: Bir döner rotorun akışkan içindeki direncini ölçer.
- Koni ve plaka viskozimetreleri: Koni ve plaka arasındaki akışkanın direncini ölçer.
- U-tüp viskozimetreleri: Akışkanın bir U-tüpten akma süresini ölçer.
Plastik Viskozite (PV)
Akışkandaki kayma gerilmesi başladıktan sonra mekanik sürtünmeden kaynaklı viskozitedir (Smith, Rafati, Haddad, Cooper ve Hamidi, 2018).
Plastik Viskozitenin Ölçümü
Plastik viskozite, reometreler kullanılarak ölçülür. Reometreler, akışkanın farklı kayma hızlarındaki kayma gerilmelerini ölçer ve bu veriler kullanılarak plastik viskozite hesaplanır.
Akma Noktası (Yield Point)
Genelde pompa basıncı etkisinin yanı sıra, akma noktası (YP) da sondaj işlemi esnasında kuyudaki parçacıkların yüzeye taşınmasına yardımcı olur. Akmaya karşı dirençli olan sıvıları hareket ettirmek için gerekli olan minimum kayma gerilmesine akma noktası olarak ifade edilmektedir (Khalil ve Jan 2012; Mohamadi, Kouhi, Sarrafi ve Schaffie. 2013; Barry, Jung, Lee, Phuoc ve Chyu 2015; Luckham ve Rossi, 1999).
Akma noktası (YP), bir akışkanın kaymaya başlamadan önce uygulanması gereken minimum kayma gerilmesine (τ) eşittir. Başka bir deyişle, akma noktası, bir akışkanı akmaya başlatmak için gereken direnç ölçüsüdür. Sondaj akışkanlarında, akma noktası, parçacıkların kuyuda taşınmasına ve çökelmenin önlenmesine yardımcı olur.
Akma Noktasının Sondaj Akışkanlarındaki Önemi
Sondaj akışkanlarında akma noktası, aşağıdakiler de dahil olmak üzere birçok önemli faktörü etkiler:
- Parçacık Taşıma: Yeterli akma noktasına sahip olmayan bir akışkan, parçacıkları kuyuda taşıyamaz ve bu da çökelmeye ve tıkanmaya yol açabilir.
- Çamur Kek Kalitesi: Yeterli akma noktasına sahip olmayan bir akışkan, çamur kekinin kalitesini düşürebilir ve sıvı sızdırma riskini artırabilir.
- Delme Hızı: Yüksek akma noktası, delme hızını düşürebilir ve delme işlemini zorlaştırabilir.
Jel Kuvveti
Akışkanın hareketsiz olduğu zamanki çekici güçlerin meydana getirmiş olduğu kuvvete jel kuvveti denilmektedir (Smith S.R. ve ark, 2018). Jel kuvveti, viskozimetre veya reometre kullanılarak ölçülür. Bu cihazlar, akışkanın zamanla viskozitesindeki değişimi ölçer ve bu veriler kullanılarak jel kuvveti hesaplanır.
Jel kuvveti, bir akışkanın hareketsiz olduğu zamanki çekici kuvvetlerin meydana getirdiği kuvvettir. Başka bir deyişle, jel kuvveti, akışkanın zamanla katılaşma eğilimini ölçer. Sondaj akışkanlarında jel kuvveti, kuyu duvarlarını korumaya ve çamur kekinin oluşmasına yardımcı olur.
Akışkanlar
Akışkanlar; Newtoniyen ve non-Newtoniyen akışkanlar olarak sınıflandırılır. Bu sınıflandırma iki yapışık tabaka arasındaki hız gradyanı olan kayma hızı (shear rate) ile yüzeydeki akışkan akışıyla uygulanan kayma gerilmesi (shear stress) arasındaki ilişkiden kaynaklıdır. Aşağıdaki görselde sondaj akışkan türlerinin kayma gerilmesi- kayma hızı grafikleri verilmiştir (Barnes, Hutton ve Walters,, 1989).
Newtoniyen Akışkanlar
Kayma hızının (shear rate) kayma gerilimine (shear stress) oranının sabit olduğu akışkan türüne newtoniyen akışkan denir. Newtoniyen akışkanlara örnek olarak su, yüksek graviteli petroller ve gazlar verilebilir (Chaplin, 2016).
Newtoniyen akışkanlar, sabit bir viskoziteye sahip olan akışkanlardır. Bu, akışkanın akma direncinin, uygulanan kayma gerilmesi ile doğru orantılı olduğu anlamına gelir. Diğer bir deyişle, ne kadar fazla kuvvet uygularsanız, akışkan o kadar hızlı akar. Su, alkol, benzin ve yağ gibi yaygın sıvılar Newtoniyen akışkanlara örnektir.
Newtoniyen akışkanlarda, kayma gerilmesi (τ) ve kayma hızı (γ) arasındaki ilişkiyi temsil eden denklem şu şekildedir:
τ = η * γ
Burada:
- τ: Kayma gerilmesi (Pa)
- η: Viskozite (Pa·s)
- γ: Kayma hızı (s⁻¹)
Viskozite, bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği direncin ölçüsüdür. Yüksek viskoziteli akışkanlar daha kalın ve akmaya daha dirençlidir. Sıcaklık arttıkça, çoğu Newtoniyen akışkanın viskozitesi azalır, yani daha kolay akarlar. Soğukluk ise viskoziteyi artırır ve akışkanların akmasını zorlaştırır.
Non-Newtoniyen Akışkanlar
Kayma gerilmesi (shear stress) ile kayma hızı (shear rate) oranı arasında doğru bir orantının olmadığı akışkan türüne non-newtoniyen akışkan denir. Değişik kayma hızlarında viskozitesi sabit olmayan sondaj akışkanlarının davranışları Non-Newtoniyen akışkanlar ile benzerdir.
Non-Newtoniyen akışkanlar, sabit bir viskoziteye sahip olmayan akışkanlardır. Bu, akışkanın akma direncinin, uygulanan kayma gerilmesine bağlı olarak değişebileceği anlamına gelir. Non-Newtoniyen akışkanlar, karmaşık akış davranışları sergileyebilirler ve birçok farklı alt gruba ayrılabilirler.
Yaygın non-Newtoniyen akışkan türleri şunlardır
- Dilatant Akışkanlar: Bu akışkanlar, artan kayma gerilmesiyle birlikte viskoziteleri artan akışkanlardır. Kumlu su ve konsantre süspansiyonlar dilatant akışkanlara örnektir.
- Pseüdo-Plastik Akışkanlar: Bu akışkanlar, artan kayma gerilmesiyle birlikte viskoziteleri azalan akışkanlardır. Kan ve bazı boyalar pseüdo-plastik akışkanlara örnektir.
- Binghamsal Akışkanlar: Bu akışkanlar, akmaya başlamadan önce aşılması gereken bir akma gerilmesine (yield stress) sahiptir. Akmaya başladıktan sonra ise Newtoniyen veya non-Newtoniyen akışkan davranışı gösterebilirler. Ketchup ve diş macunu binghamsal akışkanlara örnektir.
Non-Newtoniyen akışkanların reolojik davranışları, moleküler yapıları ve etkileşimleri ile ilişkilidir. Örneğin, tiksotropik akışkanlar, kesilme veya karıştırılma sırasında moleküler zincirlerinin hizalanmasından dolayı incelme eğilimindedir. Dinlenme halinde ise moleküler zincirleri tekrar rastgele düzenlenerek kalınlaşırlar.
Non-Newtoniyen Akışkanların Özellikleri
Non-Newtoniyen akışkanlar, aşağıdaki gibi birçok özel sergileyebilirler:
- Zamana Bağımlı Akışkanlık: Bazı non-Newtoniyen akışkanlar, zamana bağlı olarak akışkanlık özelliklerini değiştirirler. Örneğin, tiksotropik akışkanlar, kesilme veya karıştırılmaya maruz kaldıklarında incelme eğilimindedirler.
- Sıcaklığa Bağımlı Akışkanlık: Bazı non-Newtoniyen akışkanların viskozitesi, sıcaklık ile değişir. Örneğin, bazı yağlar, sıcaklık arttıkça daha az viskoz hale gelirler.
- Basınca Bağımlı Akışkanlık: Bazı non-Newtoniyen akışkanların viskozitesi, uygulanan basınç ile değişir. Örneğin, bazı polimer çözeltileri, basınç arttıkça daha az viskoz hale gelirler.
- Elastik Davranış: Bazı non-Newtoniyen akışkanlar, elastik katılar gibi deformasyondan sonra orijinal şekillerine geri dönebilirler. Örneğin, bazı jelatinler ve kauçuklar elastik akışkan davranışı sergilerler.
Kayma hızı oranı arttıkça görünür viskozite yükselir ise non-Newtoniyen akışkanlar dilatants akışkanlar (kesme kalınlaşması) olarak adlandırılır. Eğer kayma hızı oranı artıp görünür viskozite düşer ise bu psödoplastik akışkanları (keserek inceltme) olarak adlandırılır.
Görünür viskozite zaman ile azalırsa non-Newtoniyen akışkanlara tiksotropik akışkanlar denilmekte olup, eğer zaman ile görünür viskozite artarsa o zaman bu akışkanlar reopektif akışkanlar olarak tanımlanır. Genellikle sondaj akışkanları kayma hızına ve zamana göre psödoplastik ve tiksotropik davranış gösterir (Chaplin, 2016). Yukarıdaki görselde farklı tipteki sıvı davranışlarını özetler.