非均质地层、水平井等复杂的测井环境对测井仪器的发展提出了新的要求。阵列方位侧向测井继承了阵列侧向测井多种径向探测模式的优势,同时具有良好的方位指向性,并对井周地层进行方位电阻率成像。本论文以侧向测井基本理论为基础,从传统的侧向测井电极系结构出发,利用有限元数值模拟方法进行阵列方位侧向测井基础研究。本文首先在全面调研国内外侧向测井仪器发展及应用的基础上,制定了能够同时进行地层径向电阻率和方位电阻率测量的贴井壁式五阵列十二方位侧向测井电极系结构,确定了电极系的工作原理和数字聚焦方法。以有限元数值模拟方法为基础,利用正交设计方法和目标函数优化方法设计了阵列方位侧向测井电极系的结构尺寸,并进行电极系基本探测特性的研究和讨论。结果表明,电极系的测量准确性受电极系中绝缘段的尺寸和位置影响较大,利用目标优化方法可以确定出综合最佳的电极系尺寸参数。电极系纵向分辨率达到0.3m,最大径向探测深度达到1.23m。电极系采用贴井壁的测量方式时,可以降低井眼和围岩对纵向分层能力的影响,提高方位敏感性,方位电极对低阻地层的敏感性大于对高阻地层的敏感性,有利于低阻异常地层评价。利用Oklahoma标准地层中的模拟测量结果验证了电极系结构设计的合理性,为下一步阵列方位侧向测井数据处理和成像研究奠定了基础。针对电极系的五个常规径向测量模式,首先以有限元数值模拟方法为基础进行多种地层参数条件下的正演计算,并建立五个常规探测模式的视电阻率多维数据体作为快速反演的数据基础。然后,运用快速多维三次样条插值算法替代传统的基于数值模拟的正演计算,在视电阻率多维数据体中进行不同地层参数条件下的插值计算,达到了快速计算的目的;其次,进一步利用基于最小二乘方法的散点数据曲面拟合技术对视电阻率多维数据体进行曲面拟合处理,缩小数据存储空间;并利用单纯形直接搜索反演算法结合多维插值算法进行了地层参数反演计算,通过一维、二维地层、Oklahoma地层的反演计算验证了反演方法的可行性,为五个常规径向测量模式的快速反演提供了有效手段。最后,提出利用遗传-支持向量回归算法进行地层参数的反演计算,在保证计算精度的情况下,可以降低对前期正演数据量的依赖性,为基于机器学习算法的地层参数快速计算提供指导。进一步探讨了阵列方位侧向测井对水平井非对称泥浆侵入和地层界面的测量响应。首先基于有限差分方法模拟了水平井非对称性泥浆侵入,指出在水平井高渗透率地层和渗透率各向异性地层中,泥浆侵入剖面呈现出明显的非对称性。基于水平井泥浆侵入模拟结果,引入收缩因子和移动因子建立泥浆非对称侵入等效模型,并研究阵列方位侧向测井对水平井非对称性泥浆侵入的测量响应,结果表明阵列方位侧向测井在继承传统阵列侧向测井对泥浆侵入响应的基础上,利用12个方位电阻率信息能够表征出水平井地层电阻率分布的非对称性,并利用一维反演算法刻画出井周12个方位的侵入剖面。最后,考查了电极系在水平井双层、三层地层模型中对地层边界的响应特征,制作了层厚校正图版,为电极系在水平井中的应用提供理论指导。最后以阵列方位侧向测井在倾斜地层中的响应为基础研究了方位电阻率成像处理方法。在方位电阻率成像中,利用边缘插值算法有效解决了方位电阻率数量少的问题,提高了图像连续性和清晰度;在图像动态标定中,利用图像加权融合算法消除了动态图像中的台阶现象;在图像增强处理中,利用灰度级分组算法对方位电阻率图像进行增强处理,处理结果优于传统的直方图规定化增强方法,提高了图像对比度,为以后的解释应用提供了保证。并给出了电极系五个探测模式的方位电阻率成像模拟实例,验证了各探测模式成像能力的一致性。