随着大斜度井和水平井的业务量不断增加,钻头前方地质异常体的探测成为了石油行业的迫切愿望。然而,对于该问题,目前几乎没有可行的井下声波测量解决方案。因此,本文基于相控阵技术,提出了一种适用于钻前地质异常体探测的随钻前视声波测井方案。利用数值模拟算法,研究了相控阵声波测井仪器在不同地层条件下的测量响应特征,分析了相控阵声波测井仪器在随钻前视探测中的可行性。本文工作有助于解决随钻前视声波测井的关键技术问题,为后续随钻前视声波测井工业样机的开发提供理论依据。分别推导了适用于井孔声场数值模拟的二维柱坐标系有限差分算法和三维直角坐标系有限差分算法。以高性能计算机集群为平台,基于MPI和Open MP混合编程技术,构建了一种新型弹性波方程并行有限差分算法。该算法基于MPI将总任务分配给多个进程,同时在每个进程中基于Open MP将子任务分配给多个线程。各个进程具有独立的内存空间,各个线程共享所在进程的内存空间。研究结果表明,与基于Open MP的并行有限差分算法相比,基于MPI和Open MP的混合并行有限差分算法可以利用计算机集群的多个节点进行并行计算,既极大地提高了计算速度,又有效地降低了单个节点的内存消耗。介绍了基于相控阵声波辐射器实现声波能量定向辐射的原理。利用有限差分算法分别模拟了随钻条件下相控线阵声波辐射器在井孔内外产生的声场,分析了相控线阵声波辐射器在控制井内导波幅度以及井外地层纵波声场分布中的应用效果。研究结果表明,与单极声波辐射器相比,通过调整相控线阵声波辐射器的阵元个数、相邻阵元所施加的激励信号的延迟时间及各阵元所施加的激励信号的幅度权重等参数,不仅可以增强井内滑行纵波和滑行横波的幅度,还可以控制井外地层中纵波辐射主声束的角宽和偏转角。与扫描辐射方案相比,实现难度较低的定向辐射方案在实际测量中具有更好的应用前景。介绍了基于相控阵声波接收站实现声波能量扫描接收的原理。利用有限差分算法分别模拟了随钻条件下井旁存在一个或两个地层界面时的相控阵声波测井响应,分析了相控圆弧阵和相控柱面阵声波接收站在获取井外地质异常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中不同方位接收阵元接收到的回波的幅度,可以近似确定井外单个地质异常体的方位。与独立接收模式相比,基于扫描接收模式的相控圆弧阵声波接收站具有更高的方位测量准确度,可以有效地对井外的单个地质异常体进行探测,但对井外的两个地质异常体同时进行探测的效果较差。与相控圆弧阵扫描接收方案相比,采用相控柱面阵扫描接收方案可以更加准确地对井外两个地质异常体的方位同时进行测量。利用有限差分算法分别模拟了随钻条件下钻头前方存在一个地层界面时的单极和相控阵声波测井响应,分析了相控阵声波辐射器和接收站在随钻前视声波测井中的应用效果。研究结果表明,与常规反射声波测井相比,随钻前视声波测井的波场更为复杂,但仍有诸多相似之处。与单极声波辐射器相比,利用相控线阵声波辐射器定向增强辐射到钻头前方地层中的声波能量,可以使得P-P回波的幅度得到明显增强;与单极声波接收器相比,通过统计相控圆弧阵或相控柱面阵声波接收站扫描接收到的不同方位P-P回波的幅度,可以准确地判断钻前地质异常体的方位。常规反射声波测井的数据处理方法可以被应用于随钻前视声波测井中。