基于表面等离子体共振技术油水持率传感器的实验研究

摘要： 为研究表面等离子体共振技术在油井产液剖面持率参数测试方面的潜在应用，采用磁控溅射方法在三棱镜底面沉积不同厚度的金膜，制作Kretschman型表面等离子共振传感元件，对不同体积浓度的油水折射率进行测定。实验结果表明，对于折射率相同的三棱镜，沉积的金膜厚度越大，共振吸收峰越弱。表面等离子体共振峰位对不同体积浓度的油水介质很敏感，介质体积浓度由低到高变大时，表面等离子体共振吸收峰向右平移，共振角逐渐增大。实验表明，表面等离子体共振传感测试技术对不同浓度油水介质的折射率变化非常敏感，能够用其进行流体持率的测量。

关键词： 表面等离子体共振（SPR）； 反射率曲线； Krestchmann； 持率

中图分类号： TN 253； TP 212.14文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.02.016

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[57]。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[1014]。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

3 结果讨论与分析

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。

参考文献：

[1] 郭海敏.生产测井导论[M].北京：石油工业出版社，2003：532-5331.

[2] 郭海敏.CDB含水率计非一致性响应的原因及改进[J].测井技术，1993，17（2）：154-160.

[3] 刘军锋，郭海敏，戴家才.水平井油水两相产液剖面解释方法探讨[J].石油地质与工程，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].Society of Petroleum Engineers，1997，12（13）：165-171.

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

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

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

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

[9] OTTO A.Excitation of noadiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection[J].Zeitschrift Für 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].Sensors and Actuators B，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] 牟海维，王宏瑾，王 强，等.表面等离子体共振理论仿真研究[J].光学仪器，2011，33（2）：1-6.

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

[14] 俞世钢.液体折射率测定方法分析[J].光学仪器，2007，29（4）：1-6.