基于表面等離子體共振技術(shù)油水持率傳感器的實(shí)驗(yàn)研究＊

牟海維，段玉波，張 坤，劉 超

（東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

引 言

在油田開發(fā)生產(chǎn)中，持率是油井生產(chǎn)剖面評(píng)價(jià)的一個(gè)重要流動(dòng)參數(shù)，可為優(yōu)化油氣開采方案及提高原油采收率提供科學(xué)依據(jù)。近年來國(guó)內(nèi)外部分大型油田、高等院校及科研單位對(duì)油氣水三相流的持率問題開展了廣泛研究，取得了卓有成效的研究成果，部分已商品化。目前，測(cè)量持率的方法主要包括電容法、伽馬射線法、光學(xué)法等［1，2］。其中，電容法和伽馬射線法適用于低含水油井持水率檢測(cè)。當(dāng)前中國(guó)油田含水率超過80%，已進(jìn)入高含水開采階段。傳統(tǒng)的電容法持水率計(jì)在高含水油井檢測(cè)中存在準(zhǔn)確性較差、分辨力低等缺點(diǎn)［3，4］；而低能源伽馬射線持水率計(jì)普遍存在探測(cè)范圍小、溫度穩(wěn)定性差、對(duì)人體傷害大以及環(huán)境污染嚴(yán)重等弊端，限制了兩者的廣泛應(yīng)用。

表面等離子體共振（SPR）是發(fā)生在金屬和電介質(zhì)界面處由入射光場(chǎng)在適當(dāng)條件下引發(fā)金屬表面自由電子相干振蕩的一種物理現(xiàn)象［5－7］。自1968年Otto［8］和Kretschmann［9］等人利用衰減全反射（attenuated total reflection，ATR）方法實(shí)現(xiàn)光激發(fā)表面等離子共振現(xiàn)象以來，棱鏡耦合方式的角度調(diào)制型表面等離子體共振傳感結(jié)構(gòu)成為各國(guó)科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)［10－14］。因?yàn)楸砻娴入x子體共振傳感器對(duì)附著于金屬表面的介質(zhì)折射率的微小變化極其靈敏，故可用于油水混合流體折射率的測(cè)量，極具開發(fā)潛力。但是，目前有關(guān)表面等離子體共振技術(shù)在油田測(cè)井領(lǐng)域的應(yīng)用尚未見報(bào)道?，F(xiàn)提出采用Kretschman型［9］表面等離子體共振傳感器對(duì)油水持率進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的新思路，為其在油田測(cè)井方面的應(yīng)用提供前期理論依據(jù)。

1 表面等離子體共振的原理

Kretschman型表面等離子體共振傳感結(jié)構(gòu)如圖1所示。其傳感原理為：當(dāng)一束P偏振光射入棱鏡、金膜、環(huán)境介質(zhì)這種三層結(jié)構(gòu)發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)，在棱鏡與金膜的界面上存在倏逝波［6］。其波矢量在x軸方向的分量為：

式（1）中，ω為光波的角頻率，c為真空中的光速，ε0為棱鏡的介電常數(shù)，θ0為入射角。在薄膜與環(huán)境介質(zhì)的界面上，局限于金屬表面上的等離子振蕩會(huì)產(chǎn)生一種沿x方向傳播并且幅度沿z方向衰減的電磁波，被稱為表面等離子體波（surface plasmon wave，SPW）。若kz1和kz2分別為兩介質(zhì)界面處沿z軸方向的波數(shù)，則SPW滿足色散關(guān)系可表示為：

并且有：

其中ε1＝ε′1＋ε″1為金屬的復(fù)介電常數(shù)，ε2為介質(zhì)的介電常數(shù)。由式（2）和式（3）可知，SPW的波數(shù)可表示為

式（4）中，ε1為金膜的介電常數(shù)，ε2為待測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)。當(dāng)kx＝kspw時(shí)，即當(dāng)入射光波矢沿x軸的分量與表面等離子體波波矢的x分量相同時(shí)，導(dǎo)致入射光能量被SPW波大幅度吸收，使檢測(cè)到的反射光強(qiáng)急劇減弱，此時(shí)發(fā)生表面等離子體共振現(xiàn)象，在接收光譜上表現(xiàn)為光強(qiáng)的急劇降低，響應(yīng)的入射角稱為共振角。通過建立共振角與待測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)之間的關(guān)系，可求待測(cè)介質(zhì)出折射率。

圖1 Kretschman型表面等離子共振傳感結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Krerschman type surface plasmon resonance sensors

2 實(shí) 驗(yàn)

圖2 油水持率表面等離子體共振傳感測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement system for oil and water hold－up sensor based on surface plasmon resonance

采用高真空磁控濺射儀在棱鏡表面沉積不同厚度的金膜以制備表面等離子體共振傳感器。鍍膜前，先將棱鏡用丙酮超聲清洗5min，用去離子水沖洗；再用濃硫酸超聲清洗5min，用去離子水超聲清洗5min；最后用氮?dú)鈽尨蹈?。鍍膜后通過石英晶體振蕩膜厚儀來檢測(cè)膜的厚度。采用上海交通大學(xué)物理系研制的光波導(dǎo)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同體積濃度的油水持率進(jìn)行測(cè)定。此系統(tǒng)主要由激光光源、光路系統(tǒng)、三維轉(zhuǎn)臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集軟件組成，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過程中帶準(zhǔn)直器的半導(dǎo)體激光光束（λ＝650nm）通過小孔濾除邊緣光束，經(jīng)過起偏器后變成偏振光（P偏振光），然后經(jīng)過半反半透鏡（20%反，80%透），再經(jīng)過小孔射向樣品表面，樣品放在θ／2θ儀上，樣品每轉(zhuǎn)動(dòng)θ角，反射光線轉(zhuǎn)動(dòng)2θ角，探測(cè)器放在2θ轉(zhuǎn)盤上，能夠保證探測(cè)器時(shí)刻跟蹤反射光。其中，半反半透鏡是光路自準(zhǔn)校正使用的，樣品或棱鏡的反射光沿原路返回，經(jīng)過半反半透鏡反射到準(zhǔn)直探測(cè)器上，在程序中根據(jù)反射光最強(qiáng)判斷起始點(diǎn)，給出測(cè)量的角度，都相對(duì)于此自準(zhǔn)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，采用650nm的半導(dǎo)體激光作為光源，將前文制作好的正三棱鏡型表面等離子體共振傳感器和樣品池一同置于三維轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過變化角度掃描反射光的強(qiáng)度，由計(jì)算機(jī)繪制出待測(cè)介質(zhì)的表面等離子體共振光反射特性譜線，根據(jù)反射特性譜線確定表面等離子體共振角，從而確定介質(zhì)的折射率。

3 結(jié)果討論與分析

圖3為不同金膜厚度及棱鏡折射率影響表面等離子體共振的譜線圖。圖中1、2譜線所采用的棱鏡折射率為1.72，金膜厚度分別為37nm和65nm；3、4、5三條譜線采用的棱鏡折射率為1.51，金膜厚度分別為42nm、70nm和82nm。從圖中可以看出，對(duì)于折射率為1.51的棱鏡，金膜厚度越大共振吸收峰越弱，當(dāng)膜厚為82nm時(shí)，共振峰已經(jīng)變得很淺。這表明金膜厚度超過倏逝波的穿透深度時(shí)，不易產(chǎn)生表面等離子體共振現(xiàn)象。當(dāng)膜厚為42nm時(shí)，共振吸收峰較尖銳，吸收強(qiáng)度較大，表面等離子體共振現(xiàn)象較明顯，與理論結(jié)果吻合［6］。此外，從圖中還可看出，1、2和3、4、5的譜線表明，棱鏡折射率對(duì)共振角位置影響較大，棱鏡折射率越高，共振角越小。上述研究結(jié)果表明，膜厚的變化主要影響的是譜線的半峰寬度和共振峰的深度。

圖4示出了不同濃度油水混合流體的表面等離子體共振譜線，圖中從左到右油的體積濃度分別為5%、15%、25%、35%、45%。從圖中可以看出，隨著流體中含油濃度的增加，表面等離子體共振吸收峰向右平移，共振角逐漸增大。這表明Kretschman型表面等離子體共振傳感器共振吸收峰位的移動(dòng)能夠很靈敏地反應(yīng)出流體濃度的變化。

圖3 不同膜厚及棱鏡折射率的表面等離子體共振譜線圖Fig.3 Surface plasmon resonance spectrum lines for the films with different thickness and prisms with different refractive index

根據(jù)表面等離子體共振角和已知量可換算出混合液的折射率n2為：

式（5）中，θ為表面等離子體共振角，ε′1為金膜介電常數(shù)的實(shí)部。由于流體中含油濃度的增大將導(dǎo)致流體折射率的增大，即油水兩相流中油的濃度正比與流體混合液的折射率n2和共振角。因此，可通過圖4建立油水混合液含油濃度與共振角的圖版關(guān)系和線性擬合曲線，示于圖5。從圖5中線性擬合關(guān)系曲線可以看出，不同配比的油水混合液中含油的體積濃度與共振角之間呈線性變化關(guān)系。上述結(jié)果表明，通過含油濃度與共振角之間的圖版，能夠?qū)α黧w持率的進(jìn)行標(biāo)定，在油田測(cè)井方面具有開發(fā)潛力。

4 結(jié) 論

文中采用磁控濺射方法在三棱鏡表面沉積金膜，制作了Kretschman結(jié)構(gòu)表面等離子體共振傳感器，利用傳感測(cè)試平臺(tái)測(cè)量了不同濃度配比的油水介質(zhì)的持率，獲得主要結(jié)論如下：

（1）傳感器棱鏡的折射率對(duì)表面等離子體共振角有較顯著的影響，共振角隨棱鏡折射率的增大而減小，變化規(guī)律與理論結(jié)果吻合；

（2）當(dāng)油水介質(zhì)體積濃度逐漸由5%、15%、25%、35%增大到45%時(shí)，表面等離子體共振曲線向右平移，共振角逐漸增大；

（3）不同配比的油水混合液中含油的體積濃度與共振角之間呈線性變化關(guān)系，通過含油濃度與共振角之間的圖版，可對(duì)流體持率進(jìn)行標(biāo)定。

［1］ 郭海敏.生產(chǎn)測(cè)井導(dǎo)論［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003：532－5331.

［2］ 郭海敏.CDB含水率計(jì)非一致性響應(yīng)的原因及改進(jìn)［J］.測(cè)井技術(shù)，1993，17（2）：154－160.

［3］ 劉軍鋒，郭海敏，戴家才.水平井油水兩相產(chǎn)液剖面解釋方法探討［J］.石油地質(zhì)與工程，2006，20（5）：43－45.

［4］ TRALLERO J L，SARICA C，BRILL J P.A study of oil／water flow patterns in horizontal pipes［J］.SocietyofPetroleumEngineers，1997，12（13）：165－171.

［5］ WOOD R W.On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum［J］.PhilMagm，1902（4）：396－402.

［6］ FANO U J.Theory of anomalous diffraction gratings and of quasistationary waves on a metallic surface［J］.OptSocAm，1941，31：213－222.

［7］ RITEHIE R H.Plasmon losses by fast electrons in thin films［J］.PhysRev，1957，106（5）：874－881.

［8］ KRETSCHMANN E，RAETHER H.Radiative decay of nonradiative surface plasmon excited by light［J］.ZeitschrifFür Naturforschung，1968，23（12）：2135－2136.

［9］ OTTO A.Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection［J］.ZeitschriftFür Physik，1968，216：398－410.

［10］ DHESINGH R S，GOBI K V，NORIO M.Recent advancements in surface plasmon resonance immunosensors for detection of small moleculars of biomedical，food and environmental interest［J］.SensorsandActuatorsB，2007，121：158－177.

［11］ ENGLEBIENNE P，HOONACKER A V.Surface plasmon resonance：principles，methods and applications in biomedical sciences［J］.Spectroscopy，2003，17：255－273.

［12］ 牟海維，王宏瑾，王 強(qiáng)，等.表面等離子體共振理論仿真研究［J］.光學(xué)儀器，2011，33（2）：1－6.

［13］ NARAOKA R，KAJIKAWA K.Phase detection of surface plasmon resonance using rotating analyzer method［J］.Sensorsand ActuatorsB，2005，107：952－956.

［14］ 俞世鋼.液體折射率測(cè)定方法分析［J］.光學(xué)儀器，2007，29（4）：1－6.