核磁共振（NMR）测井技术是近几十年来发展起来的测井新技术，已经在储层划分、孔隙度计算、流体识别方面具有明显的优越性。由于复杂流体的弛豫信号在一维核磁共振横向弛豫时间（T2）分布上往往重叠在一起，流体识别难度加大。为此，测井学家把波谱学中二维核磁共振的概念引入到了核磁共振测井中，通过增加纵向弛豫时间（T1）或扩散系数（D）等流体特征参数，发展了二维核磁共振测井技术。三维核磁共振技术在二维核磁共振技术基础之上，综合考察流体的T1、T2和D。因此，开展二维、三维核磁共振理论和方法研究，对于发展此理论、解决流体识别难题、开展应用和推广具有重要意义。论文基于核磁共振测井的基本原理、弛豫机制，结合流体的核磁共振弛豫特性，介绍和研究二维、三维核磁共振测井技术。论文主要包括：二维、三维核磁共振采集信号预处理方法、大型稀疏矩阵的反演理论与方法及解释评价方法研究。首先，开展二维、三维核磁共振理论和弛豫机理研究。然后，针对原始回波信号开展相位校正、信号旋转、回波叠加、滤波等研究，实现原始回波预处理。在反演理论和方法方面，针对低信噪比数据反演问题，研究并提出基于SVD分解与Hankel矩阵重构的滤波方法，有效降低了噪声的影响。针对多维核磁共振回波数据量大的难题，研究和实现了适合大型稀疏矩阵的快速反演算法：基于数据压缩的奇异值分解（SVD）、Butler-Reeds-Dawson（BRD）和Global-Inversion（GI）反演方法。最后，在多维核磁共振解释应用方面，在实验室对两块柱体岩样进行核磁共振实验，反演并利用二维核磁共振谱分析其流体组分。同时，以某沙泥岩地层二维核磁共振测井为例，研究其流体响应特征、储层评价方法，并开展应用效果分析。针对三维核磁共振技术，模拟实验不同采集参数、不同信噪比的流体响应，分析其采集参数对流体识别的影响。