为了精细评价碳酸盐岩、火山岩等井下裂缝、洞穴等产状、方位及发育程度地质特征,提出一种三维侧向测井方法,研究其在复杂地层环境的响应规律。采用三维有限元算法,进行裂缝和洞穴型地层三维侧向测井响应数值仿真,结合缩小比例三维侧向测井物理模拟实验结果,研究不同的裂缝及洞穴地质参数条件下三维侧向测井响应规律。三维侧向测井结合阵列侧向在径向上的多深度探测和方位测井的周向上的方位探测,在保持原有的纵向分辨率的条件下,缩短仪器长度,有助于方便现场实际应用。电极系整体长度6m,仪器有4种工作模式,通过模式叠加得到3种探测深度,每种探测深度有6条井周电阻率曲线,共能得到21条曲线,其中有3条深、中、浅侧向曲线,能够更加精确的描述大斜度井和水平井(HA/HZ)、薄互层、缝洞型地层,辨别原生裂缝和因钻井引起的诱导缝,并且根据电阻率数据进行分析和处理,可以实现井周三维成像效果。通过数值模拟,将缝洞地层模型简化成数学模型。根据变分原理转化为求解泛函的极值问题。利用有限元方法(FEM)和COMSOL进行计算。结合三维侧向测井数值模拟的需要,建立电阻率计算公式,将求解区域根据需要进行离散化处理,选取三维侧向测井有限元的差值函数,引入了“前线解法”求解区域离散后的大型条带状稀疏矩阵,最后根据有限元方法原理,编写数值模拟程序,计算三维侧向测井正演响应。为验证三维电阻率测井仪器的有效性,根据物理模型实验相似性准则,设计缩小比例三维侧向测井实验仪器,构建裂缝及洞穴等多种地层模拟测量环境,进行裂缝和洞穴型地层三维侧向测井物理实验模拟,并与数值仿真进行尺度匹配和验证。研究发现,在裂缝型地层中,测井响应随着裂缝倾斜角度和裂缝张开度增大而增大,与裂缝电阻率和基岩对比度变大而变大。在洞穴型地层中,随着洞穴的半径增大,洞穴到仪器的距离减小,洞穴填充物电阻率增大,测井电阻率响应值增大。