VSP是在地表附近激发,井中接收的地震观测技术,与地面地震相比,由于检波器置于井中,VSP资料信噪比高,分辨率高,并且能够更接近目的层,所以VSP是一种很有前途的井中地震勘探方法。为了有效解决复杂构造和岩性储层空间评价和流体预测等问题,三维VSP勘探越来越受到重视。由于三维VSP观测方式的特殊性,常规的地面地震资料处理方法不能满足三维VSP勘探的需要,因此,必需研究适应三维VSP资料的处理方法,其中三维VSP正演模拟以及偏移成像方法是重点研究内容之一。本文首先对以往常规的VSP资料正演模拟与偏移成像概况进行了综述和介绍,分析了问题的难点与不足之处。根据这两方面的内容,提出了本文的总体研究内容与研究思路,并取得了相应的研究成果。研究成果之一：本文以三维单程波动方程为基础,阐述了波动方程的单程波分解和延拓的基本原理,介绍了常用的几种三维单程波延拓算子,并在这个基础上进一步引入了基于正交方向加插值(ADIPI)的傅里叶有限差分(FFD)算子,实现了三维高精度波场延拓,克服了对三维算子的双向正交分裂所导致的方位各向异性误差,既可保证模拟精度,又有利于提高计算效率。同时,利用基于惠更斯原理的单程波正演模拟方法及反周期扩展边界方法,解决了边界放炮和傅里叶周期性伪波场问题,实现了三维VSP的单程波正演模拟方法。该方法克服了传统基于双程波方程延拓的波场中同时具有上下行波和难以避免直达波与多次波的缺点,可以根据实际需要单独模拟上行波或下行波,无须再对VSP资料进行波场分离处理,大大地方便了后续分析处理。研究成果之二：在正演方法的基础上,针对三维VSP观测系统,检波点数少,炮点多的特点,研究了三维VSP共检波点道集波动方程偏移成像方法,不仅极大地提高了三维VSP偏移成像的计算效率,而且还适用于速度横向变化大的复杂构造模型。最后,通过理论模型与实际资料处理验证,验证了上述方法的正确性和有效性。