海上油田因其自身环境的特殊性，稠油热采开发起步较晚，目前渤海油田已经开展多轮次蒸汽吞吐先导试验^[1-5]。渤海油田蒸汽吞吐井都为水平井，且井身较深，受注汽温度高、井底压力高等因素的影响，渤海油田蒸汽吞吐井高温长效测试技术的研究应用存在较多困难和挑战^[6-10]，如油套管环空温度监测、井下注汽温度压力的长期实时监测、水平段吸气剖面的监测等。目前，国内外针对陆地油田普通高温（≤ 300 ℃）及超高温（≥ 750 ℃）稠油热采开发过程中的温度长效实时监测工艺应用及分析都进行了大量研究^[11-14]，但针对海上油田蒸汽吞吐井高温高压（370 ℃、21 MPa）条件下的长效实时监测技术、测试工艺及应用分析的研究很少。因此，笔者运用光纤光栅长效测温技术及分布式测温技术的相互校正理论并采用特殊涂层纤芯（耐温等级≤ 400℃）外包6.35 mm钢管外铠的光缆结构，改进注汽工艺管柱结构，实现蒸汽吞吐作业全井筒、全周期井下温度实时监测，并在渤海油田L井中成功应用；该技术可以用于研究分析接箍散热对隔热油管本体的影响，注汽、焖井、放喷期间油套环空及水平段温度变化规律，为提高海上油田蒸汽吞吐开发效果提供了重要理论指导。

1 高温长效测试技术工作原理

高温长效测试是在蒸汽吞吐作业开始注汽前，下入注热管柱时，将光纤长效测试缆随注热管柱一同下入井中，在注汽、焖井及放喷期间对水平段、油套管环空温度进行实时监测，通过地面高精度光纤温度解调仪及终端显示设备直接读取井下温度。

1.1 光纤光栅测温原理

光纤光栅的布拉格波长是随纤芯有效折射率和光栅周期而改变的，因此当外界温度发生改变时，由于光栅的热膨胀以及热光效应，光纤光栅波长发生了变化。当外界温度变化时，布拉格波长的漂移可表示为：

$ \Delta \lambda_{\mathrm{B}}=(\alpha+\zeta) \cdot \lambda_{\mathrm{B}} \cdot \Delta T=K_{\mathrm{T}} \Delta T $

(1)

式中：K₀为温度T引起的波长变化的灵敏度系数；α为光纤光栅的热膨胀系数；ζ为光栅热光系数。

由式（1）可知，基于此原理的光纤布拉格传感器是以光的波长为最小计量单位的，应用过程中只需探测到光纤中光栅波长分布图中波峰的准确位置，与光强无关，即可精确计算出温度变化量^[15]。

1.2 光纤分布式测温原理

光纤分布式测温利用光纤后向拉曼散射光谱的温度效应和光时域反射技术实现温度测量^[16]。反射回入射端的Raman散射光含有两种成份：Stokes和Anti-Stokes光。其中Stokes光与温度无关，而Anti - Stokes光的强度则随温度变化。AntiStokes与Stokes之比和温度之间关系可表示为：

$ \frac{l_{\mathrm{as}}}{l_{\mathrm{s}}}=\alpha e^{-\frac{h c v}{k t}} $

(2)

式中：l_as为Anti-Stokes光；l_s为Stokes光；α为温度相关系数；h为普朗克系数，J · s；c为真空中的光速，m/s；ν为拉曼平移量，m^-1；k为鲍尔次曼常数，J/k；t为绝对温度值，K^[16]。

根据式（2）及实测Stokes-Anti-Stokes光之比可计算出温度值为

$ t=\frac{h c v}{k\left[\ln \alpha-\ln \left(\frac{l_{\mathrm{as}}}{l_{\mathrm{s}}}\right)\right]} $

(3)

将应用光纤分为多个相等区域，并对每个区域的后向Raman散射光信号进行处理，可实现整条光纤等间隔的温度测量。

1.3 光纤光栅与光纤分布式测温校正原理

光纤光栅测温是通过探测光纤中光栅波长与温度的关系，与光强无关，所以可以精确地计算出温度变化量，但由于加工工艺及材料性能限制，在一条高温光纤上不能进行多个刻栅，即无法实现多个光栅测温点。光纤分布式测温是通过探测光纤中反射光光强与温度的关系，可以实现最小0.5 m的分辨空间，即可以实现多个测温点，但受温度漂移的影响，测温精度较低。

采用光纤光栅测温与光纤分布式测温两种方式同时应用，用测温精度高的光纤光栅校正多点式光纤分布式测温，从而达到高精度、全井段多点式测温（拟全井筒测温）。

2 高温长效测试工艺系统 2.1 高温长效测试系统构成

高温长效测试系统由地面终端显示器、高温光纤光栅温度解调仪、分布式高温光纤温度解调仪、高温光纤光栅温度传感器及分布式高温光纤传感器构成（图 1）。高温光纤光栅温度传感器及分布式高温光纤传感器封装于6.35 mm毛细钢管内部，保证了光纤传感器的强度及下井安全性能。高温光纤光栅温度传感器和分布式光纤温度传感器采用特殊涂层的耐高温光纤，其长期耐温等级370℃。

本高温光纤光栅温度传感器上刻有20个布拉格光栅，可实时、大区域地校正光纤分布式温度监测，保证高温长效测试系统应用于注热管柱全井筒内温度监测精度高达±1℃。

高温光纤光栅温度解调仪和分布式高温光纤温度解调仪分别接收两种光纤传感器的测温信号并对其监测数据进行处理。

2.2 高温长效测试系统工艺管柱结构

海上油田蒸汽吞吐井多为水平井、油井测量深度较深，为使光缆顺利下入水平段脚尖位置且保证光缆的安全性能，光缆下入工艺采用水平段光缆在油管内部下入，利用底部固定工具实现光缆在脚尖位置的固定。在水平段上部造斜点位置采用Y型穿越装置，使光缆从油管内部穿出到油管外部，从Y型穿越装置至井口位置采用油管外部捆绑的方式下入（图 2）。

3 高温长效测试技术应用可行性分析 3.1 光缆测温精度室内检测

将光缆放置于马弗炉内，采用空气浴方式进行升温加热，并将测温对比元件铂电阻一同放置于马弗炉内。将马弗炉温度设定为300 ℃、350 ℃、370℃，保持马弗炉内部温度场稳定，观察光缆测温数据及铂电阻测温数据，结果见表 1，结果表明，在300~380℃温度区间内，其测温误差≤ 1℃。

3.2 高温长效测试技术应用范围 3.2.1 全井筒温度长期实时监测

渤海油田L井蒸汽吞吐注汽作业前，下入高温长效测试系统，进行全周期实时温度监测，采用高温长效测试工艺管柱结构，普通油管下深2 399.6 m，Y型穿越装置下深2 038.91 m，隔热油管下深2 019.83 m，入井过程中，光缆全程无损伤。

在开始注蒸汽前水平段温度在68~70 ℃之间，因前期已经开展了两轮蒸汽吞吐作业，所以井底温度比原始地层温度稍高。以井口干度80% ~85%、注入速度220~260 m³/d的注汽参数注汽至2 500 t；保持蒸汽干度80% ~85%、但降低注入速度190~220 m³/d继续注汽至5 000 t。随着蒸汽注入量增加，井筒内温度逐步升高，在2 500 t蒸汽注入量时，水平段最高温度为363.8 ℃；降低注入速度后，水平段温度快速下降，至注汽量5 000 t时，水平段最高温度仅为346.2℃。在Y型穿越装置以上，全部采用隔热油管管柱结构，由于接箍位置为非隔热结构，所以监测环空温度曲线表现为波峰波谷连续交替形状，在接箍位置温度最高、隔热油管中间位置温度最低（图 3）。

3.2.2 油套环空温度长期实时监测

在顶部封隔器上部采用油管外部捆绑方式下入光缆，对油套环空温度进行实时监测。油套环空温度并不是平滑稳定的，表现出波峰波谷连续交替状，在接箍位置温度最高、隔热油管中间位置温度最低。在注汽量达到2 500 t时，分别选取E、D、C隔热等级油管段进行环空温度计算分析，结果如表 2所示，因为从井口至井底过程中蒸汽干度下降、井筒向地层扩散热量降低等原因导致隔热油管本体外壁温度逐渐升高、隔热油管本体和接箍位置外壁温差逐渐升高，其温差依次为28.05℃、34.5℃、35.0℃。

3.2.3 水平段温度长期实时监测

在顶部封隔器以下采用油管内部插入方式下入光缆，对水平段油套内部温度进行实时监测。分别对注汽阶段、焖井阶段、放喷阶段水平段温度监测数据进行分析。

（1）注汽阶段，注汽速度对水平段温度的影响

注汽阶段，在其他注汽参数不变的情况下，改变注汽速度192.0 t/d、204.0 t/d、259.2 t/d、271.2 t/d，观察水平段温度变化，其监测结果如表 3所示，在蒸汽注入稳定后，提高蒸汽注入速度可以迅速升高水平段井筒温度，当注入速度达到271.2 t/d时，水平段最高温度为368.01 ℃；当蒸汽注入速度大于204 t/d时，水平段脚尖位置温度会高于脚跟位置的温度，小于此注汽速度时，水平段平均温度较低，吞吐开采效果较差。

（2）焖井阶段，水平段温度变化规律

焖井期间，继续对全井筒温度进行实时监测，共计焖井5天。水平段温度下降幅度随焖井时间延长逐渐降低，水平段井筒温度第1天下降最快，脚尖端（2 150~ 2 400 m）下降约为21.12%，脚跟端（2 000.0~ 2 150.0m）下降约39.48%；从第2天开始，水平段各区间温度下降幅度逐渐变小，到焖井第5天时，水平段脚尖位置温度下降幅度仅为2.74%（表 4）。

（3）放喷阶段，放喷时长对水平段温度的影响

放喷期间，继续对全井筒温度进行实时监测，共计放喷20天（图 4），放喷初期，由于水平段高温井液上返产出，会携带一部分热量，从而使顶封附近井筒温度略有上升，但随着放喷时间推移，热量逐渐减少，温度逐渐降低。在放喷后期（第20天时）水平段脚跟位置温度仅为130 ℃、水平段最高温度为180.12℃。

4 结论

（1）高温光缆在300~ 400℃温度区间内测温误差≤ ±1℃，其配套工艺管柱结构适用于水平热采井，满足油田矿场应用。

（2）渤海油田蒸汽吞吐作业过程中首次实现全井筒、全周期温度实时监测，该高温长效测试技术对作业期间高低温交变也具有较好的适应性。

（3）高温长效实时监测技术可应用于渤海油田热采井全井筒温度、油套环空、水平段温度长期实时监测。