基于表面等离子体共振技术油水持率传感器的实验研究＊

牟海维，段玉波，张 坤，刘 超

（东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318）

引 言

在油田开发生产中，持率是油井生产剖面评价的一个重要流动参数，可为优化油气开采方案及提高原油采收率提供科学依据。近年来国内外部分大型油田、高等院校及科研单位对油气水三相流的持率问题开展了广泛研究，取得了卓有成效的研究成果，部分已商品化。目前，测量持率的方法主要包括电容法、伽马射线法、光学法等［1，2］。其中，电容法和伽马射线法适用于低含水油井持水率检测。当前中国油田含水率超过80%，已进入高含水开采阶段。传统的电容法持水率计在高含水油井检测中存在准确性较差、分辨力低等缺点［3，4］；而低能源伽马射线持水率计普遍存在探测范围小、温度稳定性差、对人体伤害大以及环境污染严重等弊端，限制了两者的广泛应用。

表面等离子体共振（SPR）是发生在金属和电介质界面处由入射光场在适当条件下引发金属表面自由电子相干振荡的一种物理现象［5－7］。自1968年Otto［8］和Kretschmann［9］等人利用衰减全反射（attenuated total reflection，ATR）方法实现光激发表面等离子共振现象以来，棱镜耦合方式的角度调制型表面等离子体共振传感结构成为各国科研工作者关注的热点［10－14］。因为表面等离子体共振传感器对附着于金属表面的介质折射率的微小变化极其灵敏，故可用于油水混合流体折射率的测量，极具开发潜力。但是，目前有关表面等离子体共振技术在油田测井领域的应用尚未见报道。现提出采用Kretschman型［9］表面等离子体共振传感器对油水持率进行室内实验研究的新思路，为其在油田测井方面的应用提供前期理论依据。

1 表面等离子体共振的原理

Kretschman型表面等离子体共振传感结构如图1所示。其传感原理为：当一束P偏振光射入棱镜、金膜、环境介质这种三层结构发生全内反射时，在棱镜与金膜的界面上存在倏逝波［6］。其波矢量在x轴方向的分量为：

式（1）中，ω为光波的角频率，c为真空中的光速，ε0为棱镜的介电常数，θ0为入射角。在薄膜与环境介质的界面上，局限于金属表面上的等离子振荡会产生一种沿x方向传播并且幅度沿z方向衰减的电磁波，被称为表面等离子体波（surface plasmon wave，SPW）。若kz1和kz2分别为两介质界面处沿z轴方向的波数，则SPW满足色散关系可表示为：

并且有：

其中ε1＝ε′1＋ε″1为金属的复介电常数，ε2为介质的介电常数。由式（2）和式（3）可知，SPW的波数可表示为

式（4）中，ε1为金膜的介电常数，ε2为待测介质的介电常数。当kx＝kspw时，即当入射光波矢沿x轴的分量与表面等离子体波波矢的x分量相同时，导致入射光能量被SPW波大幅度吸收，使检测到的反射光强急剧减弱，此时发生表面等离子体共振现象，在接收光谱上表现为光强的急剧降低，响应的入射角称为共振角。通过建立共振角与待测介质介电常数之间的关系，可求待测介质出折射率。

图1 Kretschman型表面等离子共振传感结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Krerschman type surface plasmon resonance sensors

2 实 验

图2 油水持率表面等离子体共振传感测试系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of measurement system for oil and water hold－up sensor based on surface plasmon resonance

采用高真空磁控溅射仪在棱镜表面沉积不同厚度的金膜以制备表面等离子体共振传感器。镀膜前，先将棱镜用丙酮超声清洗5min，用去离子水冲洗；再用浓硫酸超声清洗5min，用去离子水超声清洗5min；最后用氮气枪吹干。镀膜后通过石英晶体振荡膜厚仪来检测膜的厚度。采用上海交通大学物理系研制的光波导参数测试系统对不同体积浓度的油水持率进行测定。此系统主要由激光光源、光路系统、三维转台、步进电机控制系统和数据采集软件组成，如图2所示。实验过程中带准直器的半导体激光光束（λ＝650nm）通过小孔滤除边缘光束，经过起偏器后变成偏振光（P偏振光），然后经过半反半透镜（20%反，80%透），再经过小孔射向样品表面，样品放在θ／2θ仪上，样品每转动θ角，反射光线转动2θ角，探测器放在2θ转盘上，能够保证探测器时刻跟踪反射光。其中，半反半透镜是光路自准校正使用的，样品或棱镜的反射光沿原路返回，经过半反半透镜反射到准直探测器上，在程序中根据反射光最强判断起始点，给出测量的角度，都相对于此自准点。实验中，采用650nm的半导体激光作为光源，将前文制作好的正三棱镜型表面等离子体共振传感器和样品池一同置于三维转台上，通过变化角度扫描反射光的强度，由计算机绘制出待测介质的表面等离子体共振光反射特性谱线，根据反射特性谱线确定表面等离子体共振角，从而确定介质的折射率。

3 结果讨论与分析

图3为不同金膜厚度及棱镜折射率影响表面等离子体共振的谱线图。图中1、2谱线所采用的棱镜折射率为1.72，金膜厚度分别为37nm和65nm；3、4、5三条谱线采用的棱镜折射率为1.51，金膜厚度分别为42nm、70nm和82nm。从图中可以看出，对于折射率为1.51的棱镜，金膜厚度越大共振吸收峰越弱，当膜厚为82nm时，共振峰已经变得很浅。这表明金膜厚度超过倏逝波的穿透深度时，不易产生表面等离子体共振现象。当膜厚为42nm时，共振吸收峰较尖锐，吸收强度较大，表面等离子体共振现象较明显，与理论结果吻合［6］。此外，从图中还可看出，1、2和3、4、5的谱线表明，棱镜折射率对共振角位置影响较大，棱镜折射率越高，共振角越小。上述研究结果表明，膜厚的变化主要影响的是谱线的半峰宽度和共振峰的深度。

图4示出了不同浓度油水混合流体的表面等离子体共振谱线，图中从左到右油的体积浓度分别为5%、15%、25%、35%、45%。从图中可以看出，随着流体中含油浓度的增加，表面等离子体共振吸收峰向右平移，共振角逐渐增大。这表明Kretschman型表面等离子体共振传感器共振吸收峰位的移动能够很灵敏地反应出流体浓度的变化。

图3 不同膜厚及棱镜折射率的表面等离子体共振谱线图Fig.3 Surface plasmon resonance spectrum lines for the films with different thickness and prisms with different refractive index

根据表面等离子体共振角和已知量可换算出混合液的折射率n2为：

式（5）中，θ为表面等离子体共振角，ε′1为金膜介电常数的实部。由于流体中含油浓度的增大将导致流体折射率的增大，即油水两相流中油的浓度正比与流体混合液的折射率n2和共振角。因此，可通过图4建立油水混合液含油浓度与共振角的图版关系和线性拟合曲线，示于图5。从图5中线性拟合关系曲线可以看出，不同配比的油水混合液中含油的体积浓度与共振角之间呈线性变化关系。上述结果表明，通过含油浓度与共振角之间的图版，能够对流体持率的进行标定，在油田测井方面具有开发潜力。

4 结 论

文中采用磁控溅射方法在三棱镜表面沉积金膜，制作了Kretschman结构表面等离子体共振传感器，利用传感测试平台测量了不同浓度配比的油水介质的持率，获得主要结论如下：

（1）传感器棱镜的折射率对表面等离子体共振角有较显著的影响，共振角随棱镜折射率的增大而减小，变化规律与理论结果吻合；

（2）当油水介质体积浓度逐渐由5%、15%、25%、35%增大到45%时，表面等离子体共振曲线向右平移，共振角逐渐增大；

（3）不同配比的油水混合液中含油的体积浓度与共振角之间呈线性变化关系，通过含油浓度与共振角之间的图版，可对流体持率进行标定。

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