近年来我国及世界范围内能源需求的急剧增加使得致密油气、页岩油气等复杂、非常规油气资源的勘探开发愈加重要,核磁共振岩心分析和测井技术作为重要的勘探手段,在油气资源勘探开发中具有不可替代的作用。但由于致密油气储层的物性差、孔隙结构复杂,源岩和储层伴生互存,孔隙流体信号微弱,信噪比低,使得核磁测井的应用面临巨大的挑战。针对以上问题,本论文开展致密油气储层的核磁共振响应特征与应用研究,对致密储层的勘探开发具有重要的意义。脉冲序列是核磁共振数据采集和应用的基础,对比分析了常用的一维、二维和成像核磁共振脉冲序列,提出了适合致密储层的脉冲序列设计和数据采集方法。提出单次测量变回波间隔非均匀采样CPMG脉冲序列,能针对弛豫组分特征选择合适的回波间隔和采样密度,降低射频脉冲个数和能量损耗,提高采集效率;结合一维T₂谱对长短弛豫组分高精度测量和D-T₂二维谱对中长弛豫孔隙流体类型准确划分的优势,设计出D-T₂、T₂联用测试方法,对水湿、含中等粘度-轻质油的岩心有较好的应用效果;针对T₂-G测量中改良式CPMG序列采集参数t₀难以确定的问题,设计出t₀的自适应方法,可显著降低T₂-G测量的操作难度,提高测量效率。致密储层核磁信号衰减快、幅度小、信噪比低,加大了数据处理的难度,研究了核磁共振数据的降噪和反演方法。在噪声处理上采用时域和频域双重滤波的降噪方法,取得一定的效果;在反演方面对比了范数平滑、斜率平滑以及曲率平滑选取正则化参数的反演效果,结果表明对于致密储层低信噪比信号,斜率平滑能取得相对较好的效果。内部磁场梯度和回波间隔过大导致核磁孔隙度偏小,借鉴构建水谱法的思想,构建去除扩散弛豫后的T₂谱,以消除内部磁场梯度的影响;根据不同流体状态下岩石核磁共振T₂谱特征,结合扫描电镜和能谱分析,探索了核磁共振技术在致密储层有机质孔隙度计算方面的应用。基于离心及核磁共振实验数据分析,研究孔隙中流体的赋存状态和渗流规律,提出基于核磁共振双截止值的致密砂岩渗透率计算模型。在孔隙结构评价方面,计算了基于一维T₂分布的岩心孔径分布;结合变差函数和二维SLICE成像,实现了岩心纵横向的非均质性定量表征;利用SPRITE成像技术为岩心孔隙结构提供了不同维度的可视性、直观性的评价方法。