20世纪80年代以来，随着勘探程度的提高，我国陆上油气资源的勘探目标已从大型整装构造油藏转向中小型复杂隐蔽型油藏，勘探难度越来越大。特别是对于一些地质特征比较复杂、储量品位比较差的地区，由于勘探阶段资料少，认识程度差，储层预测的精度已远远不能满足编制开发方案的需要。 井中地球物理技术的发展为高精度储层参数预测提供了有效的手段。VSP具有优越的激发与接收条件，避开了地表低速带对地震信号高频成分的吸收，具有较高的分辨地层的能力。尤其在油田开发过程中，通过三维VSP成像结合地面三维地震资料和岩性资料，能进行精细的地震属性分析，可以进一步核实关键层位，搞清岩层之间的接触关系，建立起精确的地质模型，进行地层的非均质性研究，为开发方案的调整提供技术支持。近几年来，三维VSP技术已经成为油藏地球物理研究的热点之一，其在油藏精细描述和油藏动态检测等方面初见成效。 本论文首先介绍了三维VSP技术的方法原理及其国内外发展现状，对其不同的观测系统进行分析，并对三维VSP观测系统相关参数进行论证。然后，通过对泌阳凹陷深凹带赵51井区所开展的三维井地联合VSP的采集试验工作的分析研究，采用基于模型分析和射线追综的方法，确定施工方法与进行观测系统论证，探索出一套实用的三维VSP资料采集方法。最后，对三维VSP资料进行处理研究工作，总结出一套三维VSP处理流程，并对处理效果进行了分析和应用研究。 通过本文的研究，得到了一些有指导意义的结论： (1)三维VSP测量的重要作用在于提高成像分辨率及其效果等方面能与地面地震勘探的结果形成互补，特别是在利用地震信息估算参数方面的互补，诸如各种地震速度、近地表畸变影响、各向异性参数甚至AVO标定等。因此，在采集方式上可考虑与地面地震联合采集的施工方式，也就是说井地联合三维VSP采集的方法不失为一种切实可行的三维VSP采集方法。 (2)采用基于模型的理论计算，进行多分量的地震响应的运动学和动力学特征综合分析论证，确定井地联合三维VSP观测系统与施工方法，基于模型的方法是井地联合三维VSP采集技术的较可靠、先进的论证与设计方法。 (3)三维VSP资料处理是一套特殊的数据处理过程，区别于地面地震资料和常规VSP资料的处理。其波场分离、VSP反褶积及子波滤波、优化的可希霍夫偏移成像等技术都是处理流程中的特别环节。 (4)三维VSP资料处理提取的子波应用到地面地震资料处理中，利用子波对反射信号进行反褶积，使弱信号能量增强，复合波分开，能有效地提高地面地震资料的分辨能力。