钻井工程无疑是石油工业中采用先进技术思想、实施最新科技最活跃的领域。近年来，气体钻井技术因能更有利于发现和保护油气层，能大幅度提高机械钻速和钻头使用寿命，为复杂地层油气勘探开发提供了新的工程技术手段而颇受重视。可喜的是，这项技术在我国呈迅猛发展态势，形成了空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、氮气钻井、天然气钻井、柴油机尾气钻井、充气钻井的配套装备和工艺技术，具备了3500m井深的气体钻井能力。
气体钻井中的钻井液可压缩性强，不能产生有效的钻井液脉冲，常规随钻测量技术（MWD）无法使用，因此斯伦贝谢，哈利伯顿以及俄罗斯的一些石油公司相继推出了一系列电磁随钻测量系统(EM-MWD)。在我国，中国石化石油公司经过几年的技术储备和研究攻关，研制开发了具有独立知识产权的EM-MWD系统样机——CEM-1 (China Electromagnetic MWD)，填补了该项技术的国内空白。工区现场试验表明：在相近的地层条件下，CEM-1的主要技术指标达到了国外同类产品的先进水平。
CEM-1系统构与工作原理
中国的石油钻井工程界从2002年开始跟踪国际电磁随钻测量技术，并于2003年初由中国石化所属的科研部门完成了调研报告。2003年11月，完成了俄罗斯ЗТС-172M型EM-MWD系统在我国的现场试验。2006年，中国石化正式启动了“电磁随钻测量系统研制”项目的立项研究，经过连续攻关研究，攻克了一系列技术难点和技术关键，首次现场试验即获得圆满成功。
由于电磁波可以穿透包括大多数导体在内的若干介质并在这些介质中传播，因此基于电磁信号传输方式的CEM-1可用于各种钻井液。CEM-1的井下信号发射机将来自传感器的数据进行编码、调制、功率放大，由发射天线发出电磁信号；地面的信号接收机用信号接收天线来获取电磁信号，同时用噪声天线来接收电磁干扰；信号和噪声分别经低噪声放大后，由DSP(数字信号处理)模块进行数据处理，即经过数字滤波、自适应消噪、解调、译码后，送入数据处理计算机、司钻显示器等终端设备。
CEM-1可分为4个子系统：①井下数据采集(由加速度计和磁通门等传感器构成)；②井下信号发射机；③地面信号接收机；④地面数据处理及输出终端。与其它MWD系统相比，井下信号发射机和地面信号接收机是CEM-1的核心技术。
井下的信号发射有磁激励和电激励两种方式。由于磁偶极子的环形面积受到井筒横向尺寸的限制，且电激励比磁激励效率高，所以CEM-1系统采用了轴向电激励方式。井下发射天线由特殊设计的钻铤构成，形成一种类似于双极天线的非对称激励装置。
除具有钻井液脉冲MWD的功能和特点之外，CEM-1系统还有如下特点：
① 不受钻井液介质的影响，可用于各种水基钻井液、油基钻井液、气体及充气钻井液；
② 不受钻井液流量、流变性能以及含砂量、含气量等方面的影响；
③ 无需循环钻井液(如停泵接单根时)，即可进行随钻测量和数据传输；
④ 系统结构简单，井下仪器总成无活动零部件，可靠性好；
⑤ 井下仪器总成无易损件，比钻井液脉冲MWD的使用成本低。
现场试验成果显著
通过研究井下电磁信号的传输特性、EM-MWD系统设计、系统样机研制与测试、地面试验，中国石化石油勘探开发研究院于2007年3月初研制成功了电磁随钻测量系统样机。又经过多次的单元测试和系统集成测试，我国首台电磁随钻测量系统样机——CEM-1，于2007年3月19日至4月10日先后进行了5口井的现场试验。2007年3月19日在中原油田的2口井上进行试验。第一口井是井深为300m的测井教学井，地面接收到的电磁信号很强、接收效果良好。第二口井是井深为3800m的测井标定井——卫古1井，套管下深接近3700m，分别在井深500m、800m、1000m等处进行测试，EM-MWD系统测传正常并能正确解码，但是随着井深的增加信号强度减弱。这两口井都是使用测井电缆来下入井下仪器，验证了系统的功能性。
2007年4月8日，CEM-1系统样机在吉林前郭腰英台油田DB18-2-G1井上进行了现场试验。该井设计井深2270m，表层套管下深200m，钻井液密度1.2g/cm3，地层电阻率2～4Ω·m。当井下仪器的激励源处于套管内时，地面信号强度相对较弱；当激励源出套管进入裸眼段后，地面信号呈跳跃式增强，表明套管对电磁信号有屏蔽作用。然后，随着激励源下入深度的增加，地面信号逐渐减弱。采用10Hz频率，每200m为一个测点，当井深达到1600m时地面信号接收和解码正常。除静止条件外，还进行了开泵循环、转盘旋转等工况下的试验，CEM-1系统样机都能稳定地工作。样机连续工作20h，起钻后井下仪器完好。现场试验表明：在相近的地层和井筒条件下，采用相同的信号载波频率和更低的井下发射功率，CEM-1系统样机其主要技术指标达到了国外同类产品的先进水平。
2007年4月10日CEM-1系统样机还在我国辽河油田的测井标定井——曙古15井进行了试验，在套管内电磁信号的有效传输深度超过了1400m。
地层电磁参数主要是介电常数、磁导率和电导率。除铁磁性物质外，其它介质的磁导率与真空磁导率相差很小。在EM-MWD系统中，由于载波频率很低(一般小于20Hz)，所以电磁信号在地层中传播的主要影响因素是电导率(或电阻率)。其影响结果表现为电磁信号的幅值衰减和相位偏移。地层电阻率越低，电磁信号衰减越快。
为了分析电磁信号在地层中的传输特性，科研人员应用等效传输线理论，对CEM-1系统样机的信号传输进行了模拟。结果表明，理论计算结果与实测值的衰减趋势有很好的一致性，但理论值比实测值高出约20dB。二者之间的差值主要来源于信号发射和信号接收两个环节。①发射机馈电于发射天线上的有效功率较低。发射天线的输入阻抗较小，尤其是低电阻率地层其输入阻抗更小，因此发射机到发射天线之间的接触电阻不能忽略。接触电阻使发射机馈于天线上的有效功率降低，测量表明：其损失可达发射机输出功率的1/3以上。因此，由于接触电阻的存在，信号将减小约1.8～2dB；②发射短节附近的信号衰减较大，估算约为3～5dB；③接收天线的接地电阻与土壤电阻率、接地棒尺寸等有关。经计算分析，100W电阻两端电压与电动势相比约低6～16dB。
基于DB18-2-G1井的实际数据，对影响电磁信号传输的因素及其影响规律进行了理论分析和试验研究，其中地层电阻率和信号载波频率对电磁信号传输的影响规律研究获得大量成果，科研人员证实：①电磁信号的有效传输深度与地层电阻率成正比，而与载波频率成反比；②地层电阻率比载波频率对电磁信号传输特性的影响更为显著；③随着地层电阻率增大，其变化量对电磁信号的影响程度逐渐趋缓。当地层电阻率小于10Ω·m时，电磁信号的传输深度对地层电阻率很敏感；当地层电阻率大于100Ω·m后，地层电阻率变化对电磁信号影响的差异很小；④井深越大，地层电阻率的影响越显著。在本算例中，对于3Ω·m和10Ω·m的地层电阻率，在井深1600m处，其地面接收信号强度相差约35dB，而在井深1800m处，二者相差达到40dB；⑤载波频率对电磁信号传输深度的影响较显著，所以EM-MWD的载波频率宜控制在20Hz以内，更大的载波频率会使信号强度急剧衰减；⑥电磁信号在自由空间中传播，其衰减是传播距离三次方的函数，而在钻井工况下约为传输距离二次方的函数；⑦套管对电磁信号有一定的屏蔽作用，电磁信号在套管内比裸眼中衰减更快；⑧钻杆电阻率是影响电磁信号的另一个较显著的因素，其影响程度与载波频率大致相当；⑨钻井液的电磁特性对电磁信号有一定的影响，但相对于地层电阻率、载波频率等，其影响程度很小。此外，井场噪声等也对电磁信号有一定的影响。
大有发展前景的技术
我国的油气勘探与开发面对着大面积的低孔、低渗、低压、低丰度油气藏，其中低渗透储层油气资源、煤层气资源、深层油气资源、复杂油气资源等约有500亿吨油当量。而且，随着油气勘探开发的不断深入，钻遇易漏失、高研磨性、极坚硬的地层越来越多。气体钻井技术是解决上述钻井技术难题、提高钻井速度的有效技术手段。有些国家的气体钻井进尺已占钻井总进尺的30%，而我国还不到1%，因此气体钻井的份额还有很大的增长空间和潜力。
无论是对于气体钻井的防斜打快还是定向井和水平井钻井，都必须有效地监测和控制井斜。由于EM-MWD系统基本上不受钻井液介质的影响，所以能够解决气体钻井中的随钻测量问题，并被世界各国普遍采用和推广。
近年来，我国油气勘探开发解放思想，浅层油气资源开发呈现出快速发展的态势，在新疆的塔里木盆地、克拉玛依油田、东北的吉林油田以及渤海湾广大的滩海地区都收到了良好的效果。由于EM-MWD的费用远低于钻井液脉冲MWD，所以在浅层油气资源开发中用EM-MWD取代钻井液脉冲MWD将会带来良好的经济效益。
诚然，EM-MWD技术也有其自身的弱点。电磁信号在地层中传播会受到地层特性的影响，特别是低电阻率地层信号衰减快，因此其有效测量深度会受到一定的限制。
虽然我国的EM-MWD技术研究已经取得了突破性进展，但仍处于研究试验阶段，还需要不断地改进和完善，并有望在以下方面取得重要进展：①通过优化井下信号发射机的工作频率和效率、深化微弱信号检测与处理技术研究等措施，提高电磁信号的传输距离；②采用延伸天线、信号中继器等方式，增加EM-MWD系统的测量深度；③研制适用于气体钻井的井下发电机和高能耐高温电池，提高信号的发射功率和EM-MWD系统的连续工作时间；④继续拓展测量功能，特别是近钻头地质参数测量功能，实现地面与井下以及井下短程的双向通信，配合井下工具和工程控制技术，形成基于电磁信号通信的地质导向钻井系统。
复杂地质条件所带来的钻井技术难题以及气体钻井等特殊工艺技术的推广应用，为EM-MWD技术提供了有利的契机和发展空间。随着EM-MWD技术的发展，其适应性问题将会得到克服或改善，EM-MWD技术的诸多优势将会更加突显，必将成为今后随钻测量领域中的一项重要技术。我国EM-MWD系统的商业化生产已为期不远，这对石油勘探和开发将产生重要影响