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21世纪是海洋的世纪,海洋工程建设和海洋矿产资源开发是海洋经济的引擎。作为一个新矿种,天然气水合物潜力巨大,天然气水合物储层的准确识别和精细定量评价是自然界水合物开发利用的基础。目前,地球物理测井是除地震和钻探取心外最有效的原位识别和评价方法。测井离不开钻探,海洋钻探是一项技术复杂且成本高昂的工作。多功能静力触探技术集合了测井技术和传统孔压静力触探（CPTU）技术的优点,随着多功能CPTU技术的发展,其作用不仅限于评价岩土体特性,在识别地层异常方面,也大有用武之地;CPTU探头的丰富性,无疑会使这种识别效果大大提升。如果能用多功能CPTU技术对天然气水合物特征地层或储层进行识别,然后再采用钻探取芯或测井技术对天然气水合物储层进行验证,则可以大大提高水合物储层的勘探效率,降低勘探成本。在贯入机理方面,通过对比现存的CPTU各种研究方法,提出了将孔穴扩张理论和有限元法相结合的研究思路。利用孔穴扩张理论解释CPTU锥尖阻力等测试数据,利用有限元法模拟了土体刚度指数、原位应力状态和探头粗糙程度对粘土中CPTU锥尖阻力的影响,土体应变软化和应变速率对海相粘土中CPTU锥尖阻力的影响,土体应力状态、剪切模量、摩擦角、膨胀角等因素对砂土中CPTU锥尖阻力的影响,并分析了探头周围土体的变形和塑性区的扩展与孔穴扩张理论的关系。在应用方面,在对比现存的基于CPTU测试数据的土体行为分类法基础上,引入层次聚类算法,提出了基于CPTU测试数据的聚类流程图。将聚类流程图转化为Matlab代码,实现了聚类流程的计算机化。利用聚类流程图,结合国际上通用的Robertson和Campanella分类图,提出了一套土层划分与分类规则。然后将该方法应用于CPT测试、CPTU测试和海上CPTU测试项目中,并利用临近土层钻孔柱状图、孔穴扩张理论与有限元法研究成果验证了基于CPTU测试数据的土体聚类分层效果。最后,研究了天然气水合物储层与浅层气储层的多功能CPTU响应特征,在合理选择与处理聚类初始参数基础上,将上述聚类分层方法应用于天然气水合物储层识别与浅层气储层识别中,取得了较好的效果。主要工作和研究成果概括如下:（1）提出了将孔穴扩张理论和有限元法相结合的研究思路。通过对CPTU锥尖阻力的大应变有限元分析,获得了考虑土体刚度指数、原位应力状态和探头粗糙程度的粘土锥形因子表达式以及考虑土体刚度指数、应变软化和应变速率的海相粘土锥形因子表达式。探头周围土体的变形和塑性区的扩展证实了利用孔穴扩张理论解释CPTU数据的合理性。（2）引入层次聚类算法,通过对初始数据、数据标准化方法、距离函数和聚类效果评估方法的合理选择,对最大聚类个数Ncmax和最终聚类个数Ncf的定义,提出了基于CPTU测试数据的聚类流程图。将聚类流程图转化为Matlab代码,实现了聚类流程的计算机化。在此基础上,结合国际上通用的Robertson和Campanella分类图,提出了一套土层划分与分类规则。（3）通过一系列CPTU测试及临近土层钻孔取样,证明聚类分层方法可以成功划分出土层中的主层、次要层,分离出依靠钻孔柱状图无法体现的混合层、夹层和过渡层,起到了细分土层,识别过渡层、混合层和数据异常的目的。并利用孔穴扩张理论与有限元法研究成果验证了基于CPTU测试数据的土体聚类分层效果。（4）聚类分层方法应用于天然气水合物储层识别时,基于电阻率、声波时差、密度和自然伽马测井参数的聚类分层界线与岩性柱分界线匹配度高,分层效果好。其中,以电阻率、声波时差和密度为初始参数的聚类算法识别出两处泥岩,但未识别出天然气水合物具体位置;以电阻率、声波时差和自然伽马为初始参数的聚类算法成功识别出天然气水合物的位置和厚度。（5）聚类分层方法应用于浅层气储层识别时,单纯利用CPTU数据只能识别出含气土层有别于其他土层的特征,大致判断含气土层的位置与厚度。综合利用多功能CPTU数据(非归一化土体行为分类指数ISBT、电阻率Rt和声波速度AC等)识别出含气土层中气体部分所处的具体位置和厚度,达到了识别浅层气的目的。基于多功能CPTU数据的土体聚类分层方法聚合了CPTU技术和测井技术的优点,免除了人工分层的繁琐,细化了分层效果、提高了识别地层异常的能力。总之,在使用多功能CPTU数据进行土体聚类分层时,选择合理的初始参数,对测试数据进行标准化处理,消除测试曲线的干扰信号、增加聚类效果评价系数可以提高聚类效果,达到细分土层、识别异常地层的目的,最终实现对天然气水合物特征地层或储层的识别。