地下岩石普遍存在着非均匀性,当井孔周围岩石的非均匀体的尺度(如压裂产生的裂缝系统)与声波波长相当时,会产生很强的散射波,因此可以通过声波测井的散射效应评价地层的非均匀性。本文从数值模拟和数据处理两方面研究了非均匀地层的声波测井(特别是偶极声波测井)散射效应,根据散射波的衰减特性提出了一种利用散射效应评价地层非均匀性及各向异性的方法,并将该方法首次应用于致密储层的压裂效果评价。全文共分为以下三部分:第一部分研究了非均匀介质的弹性波散射理论。首先基于Bron近似,推导出散射波波场的一阶近似表达式。在此基础之上,利用时域积分方程算法计算了不同非均质模型的散射波场,并进行远探测声波散射波成像,分析了不同类型非均质模型成像特点。本部分的研究工作为远探测成像数据处理和解释提供了理论指导。第二部分利用三维时域有限差分考察了复杂非均匀介质模型的声波测井散射效应。首先基于弹性介质散射体在统计意义上的分布规律及随机过程理论,建立了表征井周岩石非均匀性的三维井孔随机介质模型。在此基础之上,数值模拟了各向同性非均匀地层中单极子和偶极子声波测井响应特征,着重考察了偶极子声波测井的弹性波散射效应。模拟结果表明:与均匀介质相比,单极子和偶极子声波测井井孔周围非均匀体均产生了明显的散射,一个显著的特征是偶极子波形在直达波之后出现了较强的尾波,且偶极尾波以S-S散射为主。进一步地,数值模拟了各向异性非均匀地层中的偶极子声波测井散射效应,并分析了不同方位尾波包络特征的差异。除此之外,也考察了井外小尺度非均匀体对井外高角度反射体偶极远探测声波成像的影响,根据非均匀体散射波的相位特点,可采用阵列波形叠加消除随机信号的干扰,获得高信噪比的反射波信号。第三部分研究并实现了偶极子声波测井散射效应的数据处理方法。首先分析了井筒传播方向的散射波和井外非均匀体散射波的频率波数(F-K)域特征,并利用F-K滤波对偶极声波测井数据进行预处理,消除井筒传播方向的散射波干扰。在此基础之上,利用短时傅里叶变换分析了偶极声波测井的散射波衰减特性,一个值得注意的现象是,尾波的频率随着时间逐渐降低,由此提出了一种利用散射效应评价地层非均匀性的方法,并将该方法首次应用于致密储层的压裂效果评价,应用结果表明压裂后偶极声波测井散射效应产生的尾波预示着井孔周围岩石的体积改造,可以用来评价致密储层压裂效果,该方法与微地震压裂监测技术相比,可以大大节约油气开采时间和经济成本,这为今后利用声波测井资料评价非常规储层(如页岩储层)的压裂效果提供了一条新的思路。除此之外,利用尾波能量通量模型提取了非均匀地层的散射衰减,散射衰减可以定量评价地层的非均匀性,多分量偶极声波测井数据不同方位的散射衰减的差异可识别非均匀各向异性。