大斜度井、水平井等复杂钻井条件对测井仪器提出了新的要求，随钻方位密度测井在复杂钻井条件下起着良好的地质导向、地层界面识别和储层指示作用，已逐渐引起测井和石油工程的高度重视。本论文以密度测井基本理论为依据，从传统的密度测井仪器结构出发，利用蒙特卡罗模拟方法进行随钻方位密度测井仪器基础研究，结合成像技术,进行随钻方位密度测井在复杂钻井条件下的应用基础研究。本文在调研国内外密度测井仪及应用发展的基础上，利用蒙特卡罗模拟方法设计了方位密度测井仪器的结构模型，并进行了仪器基础参数的研究和讨论，发现仪器探测器能窗范围受泥浆性质影响较大，泥浆中加入一定的重晶石会使岩性窗和密度窗的范围都减小，甚至产生较大误差；不同井斜角情况下仪器的探测深度不同，水平井中仪器的径向探测深度最小，纵向分辨率最高；垂直井中仪器的径向探测深度最大，纵向分辨率最低，这为后期谱数据处理、影响因素分析及方位密度图像应用基础研究奠定了基础。以仪器获取的谱数据为基础，通过对比分析四种平滑滤波和四种寻峰方法，确定了本仪器最佳的平滑、寻峰方法。原始数据和本底数据均采用变参数指数平滑处理方法进行平滑处理，达到了有效去除噪声，平滑滤波的目的；通过改进传统高斯函数拟合最小二乘寻峰法，提出了多个高斯函数联合加权-拟合寻峰法，该方法由于充分考虑假峰的影响，并采用广义简约梯度最优化算法解决了高斯函数高度非线性问题，所以寻峰结果较其他四种方法误差更小，精度更高，从而提高了谱数据处理的准确性。在完成了谱数据处理的平滑、寻峰、能量刻度、本底扣除和死时间校正等功能后，形成了能谱数据处理软件，并通过实验刻度数据验证了该软件的有效性和准确性。进一步探讨了随钻密度测井仪器的方位敏感性，指出仪器不同方位经过地层界面时响应不同，但仪器方位敏感性区域基本不变（大约为45°范围），是仪器的一种特性；在此基础上，重点分析井径、间隙和层厚等因素对仪器测井响应的影响，结果表明：井径对方位密度的影响较小；间隙和填充物对方位密度的影响较大，运用传统的“脊肋图”方法能够很好地进行校正；仪器在不同井斜角、不同地层厚度情况下测井响应不同，受围岩密度的影响较大，建立的视密度/围岩密度与校正密度/视密度关系的校正方法由于充分考虑围岩因素的影响，提高了薄层及薄互层中密度的校正精度。最后深入研究了随钻方位密度成像方法，在有效去除图像噪声的基础上，采用改进的图像增强算法—基于直方图均衡化的快速灰度级分组算法对密度图像进行增强处理，由于该算法融合了传统图像增强算法的优势，处理后的图像不仅高对比度区域得到了增强，而且低对比度区域清晰度明显提高，颜色变化均匀，体现了地层更多的细节特征，为后续地质应用提供了保证。在分析密度图像的基础上，首次把最优分割法用于方位密度测井识别地层界面，结果表明该方法克服了传统界面识别方法精度低、误差大、基础数据要求高的缺点，提高了界面识别的精度；并以此为基础获取密度图像的高度H，将其应用到相对倾角的计算中，结合仪器的有效探测深度DOI EFF，优化了相对倾角的计算参数，克服了传统倾角计算方法中误差大，精度低的缺陷，并通过模拟数据验证了该方法的有效性和准确性，提高了地层倾角的计算精度，为大斜度井和水平井地质导向、地层评价和构造解释奠定了基础。