Viskozite Nedir?
Bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği dirence viskozite denir. Kuyudaki kesitlerin yüzeye çıkarılması, pompalama basıncı ve kuyu dengesine direk etki eder. Çeşitli polimerler (CMC vs.) eklenerek çamurun viskozitesi artırılabilir (Barry M.M.ve ark., 2015). Viskozite ölçmekte ve viskozite analizi için birçok cihaz kullanılmaktadır. Aşağıda yer verdiğimiz görselde Ofite-model 800 marka FANN viskozimetresi görünümü bulunmaktadır.
Viskozite, bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği direnci ifade eden bir özelliktir. Akışkanın molekülleri arasındaki sürtünme kuvvetlerinden kaynaklanır. Viskozitesi yüksek olan bir akışkan, akmaya karşı daha fazla direnç gösterir ve daha az akıcıdır. Örneğin, balın viskozitesi sudan yüksektir, bu nedenle balın akması sudan daha zordur.
Bu viskozite, Pa·s (pascal saniye) birimiyle ölçülür. Bu birim, bir saniyede 1 metrekarelik bir alandan 1 Newtonluk bir kuvvetle itilen bir akışkanın kat ettiği katmanın kalınlığını temsil eder.
Viskoziteyi Etkileyen Faktörler
Viskoziteyi etkileyen birçok faktör vardır. Bunlardan en önemlileri şunlardır:
Sıcaklık
- Sıcaklık arttıkça çoğu akışkanın viskozitesi azalır. Bu durum, moleküllerin termal enerji nedeniyle daha hızlı hareket etmesinden ve birbirleriyle olan etkileşimlerinin azalmasından kaynaklanır.
- Örneğin, soğuk balın akması sıcacık baldan daha zordur. Buzlu suyun akması ise oda sıcaklığındaki sudan daha kolaydır.
- Sıcaklığın viskoziteye etkisi her akışkan için farklıdır. Bazı akışkanlarda sıcaklıktaki değişim viskozitede büyük bir değişime yol açarken, bazılarında ise daha az bir etkiye sahip olabilir.
Basınç
- Basınç arttıkça çoğu akışkanın viskozitesi artar. Bunun sebebi, basıncın akışkan moleküllerini birbirine yakınlaştırması ve aralarındaki boşlukları azaltmasıdır. Bu durum, moleküller arasındaki sürtünme kuvvetlerini ve dolayısıyla da viskoziteyi artırır.
- Örneğin, yüksek basınçlı bir ortamda bulunan yağın akması, normal basınçtaki yağdan daha zordur.
- Basıncın viskoziteye etkisi de her akışkan için farklıdır. Gazlarda basınçtaki değişimler viskozitede daha büyük bir etkiye sahipken, sıvılarda bu etki daha azdır.
Molekül Kütlesi
- Molekül kütlesi yüksek olan akışkanlar genellikle daha viskoz olur. Bunun sebebi, büyük moleküllerin birbirleriyle olan etkileşimlerinin daha güçlü olması ve daha fazla sürtünme kuvveti oluşturmasıdır.
- Örneğin, gliserin gibi büyük moleküllere sahip akışkanlar, su gibi küçük moleküllere sahip akışkanlardan daha viskozdir.
- Molekül kütlesinin viskoziteye etkisi, molekül şekli ile de etkileşime girer. Aynı molekül kütlesine sahip olsalar bile, farklı şekillerdeki moleküller farklı viskozite değerlerine sahip olabilir.
Molekül Şekli
- Uzun ve ince moleküllere sahip akışkanlar genellikle daha viskoz olur. Bunun sebebi, uzun ve ince moleküllerin birbirleriyle daha fazla temas halinde olması ve daha fazla sürtünme kuvveti oluşturmasıdır.
- Örneğin, spagetti gibi uzun ve ince moleküllere sahip polimerler, küresel moleküllere sahip polimerlerden daha viskozdir.
- Molekül şeklinin viskoziteye etkisi, molekül kütlesi ile de etkileşime girer. Aynı molekül şekline sahip olsalar bile, farklı molekül kütlelerine sahip moleküller farklı viskozite değerlerine sahip olabilir.
Diğer Faktörler
- Elektriksel Kutupluluk: Kutuplu moleküllere sahip akışkanlar, kutupsuz moleküllere sahip akışkanlardan daha viskoz olabilir.
- Hidrojen Bağı: Hidrojen bağı içeren akışkanlar, hidrojen bağı içermeyen akışkanlardan daha viskoz olabilir.
- Çözünmüş Katı Maddeler: Bir akışkana katılan çözünmüş katı maddeler, akışkanın viskozitesini artırabilir.
Viskozite Ölçümü ve Analizi
Viskozite ölçümü, bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği direnci (viskozite) nicel olarak belirleyen bir işlemdir. Bu ölçüm, viskozimetre adı verilen cihazlar kullanılarak gerçekleştirilir. Bu viskozite, Pa·s (pascal saniye) birimiyle ölçülür.
Viskozite Ölçümü
Viskoziteyi ölçmek için birçok farklı cihaz kullanılabilir. En yaygın kullanılan cihazlardan biri viskozimetredir. Viskozimetreler, bir akışkanın belirli bir mesafeyi ne kadar sürede kat ettiğini ölçerek viskozitesini hesaplar.
Viskozite ölçüm cihazlarının çalışma prensipleri:
- Düşen Küre Yöntemi: Bu yöntemde, belirli bir çap ve yoğunluğa sahip bir küre, viskozitesi ölçülecek akışkanda serbestçe bırakılır. Kürenin belirli bir mesafeyi kat etmesi için geçen süre ölçülerek viskozite hesaplanır.
- Rotasyonel Viskozimetre: Bu yöntemde, bir rotor (döndürücü) akışkanın içine daldırılır ve belirli bir hızda döndürülür. Rotorun akışkan tarafından uygulanan direnç ölçülerek viskozite hesaplanır.
- Kapiler Viskozimetre: Bu yöntemde, akışkan belirli bir çaplı bir kılcal damardan akıtılır ve akma süresi ölçülür. Akma süresi ve kılcal damarın çapı kullanılarak viskozite hesaplanır.
Viskozite Analizi
Viskozite analizi, bir akışkanın viskozitesinin nasıl değiştiğini inceleyen bir süreçtir. Bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği direnci ifade eder. Bu direnç, akışkan molekülleri arasındaki sürtünme kuvvetlerinden kaynaklanır. Viskozitesi yüksek olan bir akışkan, akmaya karşı daha fazla direnç gösterir ve daha az akıcıdır. Örneğin, balın viskozitesi sudan yüksektir, bu nedenle balın akması sudan daha zordur.
Viskozite analizi, akışkanın davranışını ve performansını daha iyi anlamak için kullanılır. Bu bilgiler, akışkanın kullanılacağı uygulama için uygun olup olmadığını belirlemek için kullanılabilir. Ayrıca, viskozite analizi sonuçları, akışkanın üretim ve işleme süreçlerinin optimize edilmesine yardımcı olabilir.
Viskozite analizi, çeşitli yöntemlerle yapılabilir. En yaygın kullanılan yöntemler şunlardır:
Sıcaklık Bağımlılığı Analizi
Bu analizde, akışkanın viskozitesi farklı sıcaklıklarda ölçülür ve elde edilen veriler kullanılarak viskozitenin sıcaklığa nasıl değiştiği belirlenir. Sıcaklık arttıkça çoğu akışkanın viskozitesi azalır. Bu nedenle, soğuk balın akması sıcacık baldan daha zordur.
Basınç Bağımlılığı Analizi
Bu analizde, akışkanın viskozitesi farklı basınçlarda ölçülür ve elde edilen veriler kullanılarak viskozitenin basınca nasıl değiştiği belirlenir. Basınç arttıkça çoğu akışkanın viskozitesi artar.
Zaman Bağımlılığı Analizi
Bu analizde, akışkanın viskozitesi zamanla nasıl değiştiği gözlemlenir. Bu analiz, zamanla bozunan veya kimyasal reaksiyonlara giren akışkanlar için önemlidir.
Viskozite analizinde kullanılan diğer yöntemler
- Kinetik Viskozite Ölçümü: Bu yöntemde, bir rotorun akışkan içinde dönmesi için gereken tork ölçülerek akışkanın kinetik viskozitesi hesaplanır.
- Dinamik Viskozite Ölçümü: Bu yöntemde, bir akışkanın belirli bir mesafeyi kat etmesi için gereken süre ölçülerek akışkanın dinamik viskozitesi hesaplanır.
- Ultrasonik Viskozite Ölçümü: Bu yöntemde, akışkandan geçen ultrasonik dalgaların hızı ve zayıflaması ölçülerek akışkanın viskozitesi hesaplanır.
Fan viskozimetresi ile ölçüm yöntemi
16 saatlik karıştırılma sonrası sondaj çamuru viskozimetre kabı içerisindeki işaretli seviyeye kadar doldurulur daha sonra viskozimetre kabı içerisindeki çamur viskozimetrenin üst kısmında bulunan rotor silindir üzerinde bulunan seviyeye kadar batırılır. Vizkozimetrenin hızı 600 rpm‘e getirilerek rotor döndürülmeye başlar. Viskozimetre üzerinde bulunan kadrandaki ibre sabit duruma geldikten sonra 600 rpm‘deki değer okunur.
Aynı şekilde viskozimetrenin hızı 300 rpm‘e getirilerek rotor döndürülmeye başlar. Viskozimetre üzerinde bulunan kadrandaki ibre sabit duruma geldikten sonra 300 rpm‘ deki değer okunur.
Not: Vites değişimi yalnız motor çalışırken yapılır.
Ölçüm Yöntemi
Fan viskozimetresi, sondaj çamurlarının viskozitesini ölçmek için kullanılan bir cihazdır. Bu cihaz, rotor adı verilen bir silindirin akışkan içinde dönmesi için gereken torku ölçerek akışkanın viskozitesini hesaplar. Fan viskozimetresi ile ölçüm yöntemi:
Sondaj çamurunun hazırlanması
Sondaj çamuru, 16 saat boyunca karıştırılır.
Karıştırma işleminden sonra çamur, viskozimetre kabında bulunan işaretli seviyeye kadar doldurulur.
Ölçüm işlemi
- Viskozimetre kabındaki çamur, viskozimetrenin üst kısmında bulunan rotor silindirin üzerinde bulunan seviyeye kadar batırılır.
- Viskozimetrenin hızı 600 rpm’e (devir/dakika) ayarlanır ve rotor döndürülmeye başlanır.
- Viskozimetre üzerinde bulunan kadrandaki ibre sabit bir değere geldikten sonra, 600 rpm‘deki viskozite değeri okunur.
- Aynı şekilde, viskozimetrenin hızı 300 rpm’e düşürülür ve rotor tekrar döndürülmeye başlanır.
- Viskozimetre üzerinde bulunan kadrandaki ibre sabit bir değere geldikten sonra, 300 rpm‘deki viskozite değeri okunur.
Sondaj Çamurun Reolojisi ; AV, PV, YP ve Jel kuvveti olarak bilinir ( Barry M.M.ve ark., 2015).
Görünür viskozite (AV) : Sıvılardaki bir kuvvetin etkisiyle veya sıvıların hızla akışı esnasındaki direncidir.
Plastik viskozite (PV): Çamur içerisinde askıda kalan katı maddeler ile sürekli faz arasındaki sürtünmeden kaynaklı akış direncidir. Düşük olması istenir.
Akma Noktası (YP): Durağan haldeki çamurun jel yapısının gelişimini etkileyen kuvvetlerin akışkan koşullar altında ölçümüdür.
Jel Kuvveti (GS): Durağan haldeki çamurda oluşan jel yapısının gelişimini etkileyen kuvvetlerin statik koşullar altında ölçülmesidir. Çamur hareketsiz kaldığında jel kuvveti artar. Fann Viskozimetresi ile ölçülür. Genel olarak Jel Kuvveti deneyi aşağıdaki gibi yapılır;
Jel Kuvveti Deneyi
Viskozimetre kabında bulunan çamur 10 saniye 600 rpm‘ lik hızda döndürülür. Çamur 10 saniye hareketsiz kalması için viskozimetre durdurulur daha sonra viskozimetre 3 rpm de çalıştırılıp en yüksek değer okunur buna da 10 saniye jel kuvveti denir. Viskozimetre kabında bulunan çamur tekrardan 10 saniye 600 rpm‘lik hızla döndürülür. Çamur 10 dakika hareketsiz kalması için viskozimetre durdurulur daha sonra ise viskozimetre 3 rpm de çalıştırılıp en yüksek değer okunur buna da 10 dakika jel kuvveti denir.
μp= θ600rpm – θ300rpm
μp: Plastik viskozite(cP)
γp= θ300rpm – μp
γp : Akma Noktası (lbf /100ft2)
μa= θ600rpm / 2
μa: Görünür viskozite (cP)
Jel Kuvveti Deneyi, sondaj çamurunda zamanla oluşan jel yapısının ve bu yapının bozulma direncinin ölçüldüğü bir test yöntemidir. Bu test, sondaj çamurunun kuyu tabanında ve bekleme süresi boyunca istenilen kıvamda kalıp kalmadığını değerlendirmek için kullanılır.
Deneyin Aşamaları
Çamurun Hazırlanması
- Sondaj çamuru viskozimetre kabına dökülür ve 10 saniye boyunca 600 rpm hızında döndürülür.
- Bu işlem, çamurdaki katı partiküllerin homojen bir şekilde dağılmasını sağlar.
Jel Kuvveti Ölçümü
- Viskozimetre 10 saniyeliğine durdurulur ve çamur 10 saniye boyunca hareketsiz kalır.
- Bu süre zarfında, çamurdaki katı partiküller jelleşmeye başlar.
- 10 saniyenin sonunda viskozimetre 3 rpm hızında çalıştırılır ve en yüksek viskozite değeri okunur.
- Bu değer, 10 saniye jel kuvveti olarak kaydedilir.
Jel Yapısının Bozulma Direncinin Ölçümü
- Viskozimetre 10 dakika boyunca durdurulur ve çamur 10 dakika boyunca hareketsiz kalır.
- Bu süre zarfında, çamurdaki jelleşme daha da kuvvetlenir.
- 10 dakikanın sonunda viskozimetre 3 rpm hızında çalıştırılır ve en yüksek viskozite değeri okunur.
- Bu değer, 10 dakika jel kuvveti olarak kaydedilir.
Deney Sonuçlarının Değerlendirilmesi
- Jel Kuvveti: Jel kuvveti değeri, sondaj çamurundaki jelleşmenin derecesini gösterir. Bu jel kuvveti değeri yüksek olan çamurlar, daha sağlam bir jel yapısına sahiptir.
- Jel Yapısının Bozulma Direnci: 10 dakika jel kuvveti değeri, sondaj çamurundaki jelleşmenin zamanla ne kadar dayanıklı olduğunu gösterir. 10 dakika jel kuvveti değeri yüksek olan çamurlar, daha uzun süre boyunca jelleşmiş halde kalabilir.