声波测井是一种应用较为广泛的测井方法,利用声波测井记录到的声波信号,不仅可以获得地层参数、评价固井质量,还可以得到井旁构造的声学响应,进而判断裂缝、溶洞等储集空间在井外地层中的扩展情况。与传统的单极发收探测技术和正交偶极发收探测技术相比,相控阵声波测井技术能够记录周向多个方位的波形数据,因此该方法具有方位分辨能力并逐渐成为研究热点之一。本文通过数值模拟及物理实验的方法,研究了相控阵声波测井仪器在不同井眼条件和不同地层条件下的测量响应及测量分辨率特征,并基于相控阵扫描接收方法,提高了相控阵声波测井仪器的测量分辨能力。论文介绍了新型的方位声波固井质量检测仪（AABT）,仪器采用单极子发射器及两个相控圆弧阵接收器组成。利用数值模拟和物理实验的方法,分析了该仪器在确定水泥窜槽的方位和范围以及提高方位测量分辨能力中的效果。数值模拟结果表明,当套管井中某个方位存在条状窜槽时,通过统计相控圆弧阵声波接收站接收到的多个方位的套管波首波幅度,可以确定水泥窜槽的方位。相比于独立接收模式,采用扫描接收模式的相控圆弧阵声波接收站不仅可以更准确地确定水泥窜槽的方位,还可以确定水泥窜槽的角度范围。实验井数据处理结果表明,通过对套管波幅度的成像显示,AABT能够在周向和轴向上评价套管-水泥界面（Ⅰ界面）水泥的胶结质量,并有较高的方位测量分辨率。通过与超声成像测井仪的测量结果及井况信息的对比,验证了相控阵扫描接收方法在识别小角度水泥窜槽时的优越性。基于方位声波固井质量检测仪器在评价套管-水泥界面（Ⅰ界面）水泥胶结质量上的应用效果,探讨将相控阵扫描接收技术应用于水泥-地层界面（Ⅱ界面）方位固井质量评价中。利用有限差分算法对几种角度的水泥-地层界面（Ⅱ界面）水泥窜槽情况进行了模拟,处理结果表明,相控圆弧阵扫描接收方法能够确定Ⅱ界面窜槽的方位和角度范围,并同样具有较高的方位测量分辨率。介绍了基于相控柱面阵声波接收站实现三维扫描接收方法的原理。利用有限差分算法分别模拟了在裸眼井条件下井旁存在一个和多个小尺度地质异常体（散射体）时相控阵声波测井的响应,分析了相控阵扫描接收方法在获取井旁地质散射体方位中的应用效果。研究结果表明,通过统计相控圆弧阵声波接收站扫描接收到的不同方位回波波形中的P-P回波幅度,可以对井旁单个散射体的方位进行准确探测,但当井旁存在多个散射体时,相控圆弧阵扫描接收方法的应用效果较差。此时采用基于相控柱面阵的三维扫描接收方法能够更加准确地对井旁散射体的数量及方位进行测量。在此基础上,利用有限差分算法分别模拟了在井旁同一水平面和同一竖直面内含多个地质散射体时相控阵声波测井的响应,对基于相控柱面阵的三维扫描接收方案在水平面和竖直面内的方位测量分辨率进行了研究。研究结果校验了相控柱面阵三维扫描接收技术测量分辨率高的优越性,为相控阵声波测井的推广应用提供了参考。