近年来,我国油气资源开发领域正逐步转向高含水油藏、稠油油藏、致密油、致密气、页岩气等难动用油气资源,定向井技术在此类油藏的勘探和开发中发挥重要作用。随钻测量技术能够将井底测量的工程参数实时传输至地面,其是完钻一口高质量定向井的关键技术之一。相比泥浆脉冲随钻测量,电磁随钻测量（EM-MWD）可以在气体钻井和漏失地层钻井中有效工作,在定向钻井领域具有良好的应用前景。目前国内EM-MWD技术研究已经取得了较大进展,但研制的EM-MWD均为井底向地面传输数据的单向系统。相比于单向系统,双向EM-MWD可以通过信号下传通讯技术随钻调节井下仪器工作状态,解决单向系统对复杂地层适应差、井下连续工作时间短的问题,且可以形成基于电磁信号双向通讯的旋转导向钻井系统,辅助旋转导向钻井系统应用于气体钻井和漏失地层钻井。因此,双向EM-MWD具有重要的工程应用价值。针对目前关于信号上传研究对实际钻井情况考虑不足,有关信号下传的数值模型和传输特性报道极少,而国内双向EM-MWD技术还处在初步探索阶段的现状,论文对双向EM-MWD信号传输机理进行了研究,提出了一种双向信号井间收-发助传方法,设计并实现了双向信号通讯,并开展了地面和井内双向信号传输与通讯实验。论文的主要研究成果和创新点如下:1.针对目前双向信号传输机理研究的不足,采用均质空间格林函数计算了均质地层钻杆、电极及电缆上电流辐射电场,并采用层状介质C类谱域格林函数和二级离散复镜像法计算层状地层中钻杆、电极及电缆上电流辐射电场。在此基础上,基于线天线理论、体等效原理、矩量法,采用分段三角基函数、SWG基函数和伽辽金测试函数,建立了考虑地层分层、井型、钻井液、冲洗带、电缆和电极的信号下传数值模型,并针对现有上传模型建立了考虑冲洗带的信号上传数值模型。应用有限元软件验证该数值模型的准确性及效率,结果表明:该模型准确性良好、计算效率高,且计算时间比有限元模型少1～2个数量级。2.基于建立的双向信号传输数值模型,分析了井型、电极位置、钻杆尺寸及电导率、地层电导率及层位、钻井液和冲洗带电导率及厚度对双向信号传输的影响,并分析了电缆类型及尺寸、激励源位置、电极长度及直径对信号下传的影响。研究表明:（1）冲洗带对信号强度的影响超过30%,双向信号强度随高侵冲洗带厚度增大而增大,随低侵冲洗带厚度增大而减小;（2）相比于绝缘电缆,采用较大直径裸电缆,且将激励源设置于井口附近,可以有效增大下传信号强度,采用裸电缆增大下传信号强度达4.7倍;（3）采用较大长度和直径电极,并设置较大电极极距,可以提高下传信号强度近9倍。3.提出了双向信号井间收-发助传方法,针对双水平井和丛式井情况,应用数值模型对比分析井间收-发与传统方法,并开展了地面双井信号传输实验。结果表明,（1）当传统方法信号衰减严重时,井间收-发方法可以有效增大信号强度1～4个数量级;（2）井间收-发方法适用信号频率更大,即该方法可以获得更大的数据传输速率。4.提出了双向信号交互方法,在此基础上设计并实现了双向信号通讯。设计了间歇式双向信号交互方法,通过地面系统控制井下发射机和接收机停止或开始工作,避免井下信号发射干扰井下信号接收;采用频移键控调制及解调实现数字信号和模拟信号转换;并使用基于小波的数字滤波滤除接收信号中的噪声。设计并实现了井下和地面收-发机的硬件电路,在此基础上设计并加工了一套井下接收-发射仪器、外绝缘短节及地面接收、发射机。5.应用设计的双向通讯系统在地面浅井和井内开展双向信号通讯与传输实验,实验结果表明:（1）本双向信号通讯系统的双向信号交互方法合理;（2）井间收-发方法可以有效增大信号强度,实验条件下井间收-发方法上传和下传信号强度最大增大比例分别为171.7%和145.5%;（3）在井内环境下双向信号调制、解调和滤波性能可靠,双向通讯系统工作稳定;（4）数值模型计算值与实验测量值误差范围为7.82%～29.21%,数值模型在分析井内双向信号传输时准确性良好,可以用于双向EM-MWD信号强度预测及可行性评价。基于上述研究工作,建立的双向信号传输数值模型可以对双向EM-MWD进行钻前信号强度预测和可行性评价,双向信号传输特性的研究有助于指导双向EM-MWD的系统设计和应用,提出的双向信号井间收-发方法可以显著增大信号强度、扩展随钻测量深度,而双向通讯系统的设计、实现及井内试验可为国内双向EM-MWD的研发积累经验和提供借鉴作用。总而言之,论文的研究工作可为双向EM-MWD技术的发展和定向钻井（尤其是气体钻井及漏失地层钻井）提供重要理论意义和工程价值。