挤压破坏模型在自升式钻井船插桩分析中应用——以海洋石油941号钻井船为例

刘双双，周杨锐，郑喜耀，蒋宝凡，周松望

(中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300451)

自升式钻井船按基础形态不同可以大致分为桩腿式钻井船和桩靴式钻井船［1-2］，这里所述海洋石油941号钻井船属于桩靴式钻井船(图1)。

图1 海洋石油941号钻井船桩靴示意Fig.1 Sketch of jack-up rig HYSY-941 footing

近年来，海洋石油941号钻井船在南海半深水区域内作业比重逐年上升。在文中所引用的几个井场中，对于海底土质特性为粒状土层下卧一层软弱土层(粘性土或者互层/叠层土)的情况，在预测海洋石油941号这样的大桩靴钻井船插桩深度时，利用传统的刺穿破坏模型分析计算，遇到了预测深度不准确的问题，通过对海底地层土质与工程特性的分析，发现插桩深度与表层粒状土下覆的粘土层的工程性质有很大关系，同时也与所就位钻井船自身的桩靴特性有一定的关系。

1 刺穿破坏模型与挤压破坏模型

1.1 刺穿破坏模型

较硬的粒状土下卧一层较软的粘性土的层状地基，在钻井船压载过程中桩脚承载力超过硬土层的极限承载力时，桩脚就会穿过硬土层，由于软土层承载力较小，故造成桩脚迅速下沉，形成刺穿。

对于上硬下软土层的刺穿分析(图2)，国内外应用的方法很多，比较普遍应用的有Hanna和Meyerhof法以及Young和Focht投影面积法(3∶1方法)［3-4］。刺穿破坏计算方法前人已做过很多研究［5］，其中Young和Focht的3∶1投影分析法是笔者在工作实践中应用较多的方法。基础的极限承载力Q的理论计算公式:

式中:qn为桩脚的单位面积极限承载力，A为基础面积，γ1为由桩脚排出土的平均有效重度，V为桩靴的体积。在3∶1刺穿分析时，Young和Focht提出qn=6Su(1+0.2D'/B')A'p/Ap≤qn(硬层)，则式(1)演变为:

式中:Su为桩靴下B/2深度以内平均不排水抗剪强度，Ap为实际基础面积，B为实际基础直径，D为实际基础深度，qn(硬层)为假设硬土层无限厚时的承载力。A'p、B'、D'均为3∶1投影面积法中的等效值，其含义分别为等效基础面积、等效基础直径和等效基础深度，其表达式分别为 A'p=Ap［1+2H/3B］2，B'=B+［2/3］H，D'=D+H，H为实际基础面之下硬土层的厚度。

1.2 挤压破坏模型

上述层状土，钻井船压载过程中，硬土层不发生冲剪破坏，而是在桩靴的作用下随桩靴逐渐将下卧软土层挤压掉，从而与软弱土层下卧硬土层叠加在一起。

根据“SNAME”推荐的方法“Recommended Practice for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units”一节［6］，当B≥3.45 T(1+1.1D/B)时，对于完全回填土情况(图3)，挤压分析中承载力Q采用Meyerhof推荐的经验公式:

式中:B代表等效基础直径，T代表软粘土层的厚度，D代表桩脚尖入泥深度(最宽截面)，A代表等效基础面积，a、b为排挤经验系数，Meyerhof方法中推荐取值分别为5和0.33，Su代表被挤压粘土层的不排水抗剪强度，V代表桩靴的体积，γ'代表土的平均有效重度。

在挤压分析中，如图3所示，当基础向下移动时，随着桩脚入泥深度D由D1逐渐增加到D2，上覆粒状土随着基础的逐渐下移，挤压下层软粘土，从而使软粘土的厚度T由初始值T1逐渐减小到T2，最终软粘土完全被挤压出基础的下移通道，上下两层粒状土拼合在一起。其中，D和T各自的变化值相当，即D2-D1=T1-T2。

利用上式计算出的承载力应不小于在单一软粘土层中计算出的承载力，不大于在软粘土层上部或下部的硬层中计算出的承载力。

图2 刺穿破坏模型示意(完全回填土)Fig.2 Sketch of punch-through model(full backflow of soil)

图3 挤压破坏模型示意(完全回填土)Fig.3 Sketch of squeezing model(full backflow of soil)

通过对刺穿和挤压两种破坏模型内生机理的分析与对比，认为两者的区别在于前者是软弱层上覆硬土层发生冲剪破坏而导致的破坏形式，后者则是软弱层在桩靴和上覆硬土层共同作用下发生的破坏形式，两者发生破坏的介质有本质区别。

2 钻井船插桩实例

以下列举南海两个井场中A和B钻孔位置的海底土质情况及设计参数，并分别用刺穿破坏模型和挤压破坏模型对海洋石油941号钻井船插桩深度进行分析并对比。

2.1 A孔位

表1为A孔位工程地质调查成果参数表。第二、三层为软到稍硬的粘性土和迭层/互层土，相对上覆地层来讲为软弱层，是影响钻井船最终插桩深度的重点分析层位，以下称之为“关键层位”。

表1 A孔土质分层及土质参数(部分)Tab.1 Soil stratigraphy and design parameters for boring A(portion)

如果第一层硬土层发生刺穿破坏，则钻井船桩脚尖将穿过硬土层进入第二、三两个层位，由于第二、三层强度较弱，只有钻井船桩脚最后“坐”在第四层砂性土上，钻井船船体才能够达到稳定状态。

通过计算分析，海洋石油941号钻井船桩脚最终入泥深度为12.0 m(图4(a))。

如果以上两土层发生挤压破坏，在分析中可以认为第二层以及第三层中的粘性土层部分在钻井船插桩过程中被慢慢挤压掉，导致钻井船桩脚跟随第一层粒状土叠加在第三、四层中的粒状土上，从而使得钻井船获得足够的承载力达到稳定状态。

通过计算分析，海洋石油941号钻井船桩脚最终入泥深度为4.6 m(图4(b))。

2.2 B孔位

表2为B孔土质分层及参数表，同上，第四层与上下层土质相比为软弱层，将它作为关键层位进行分析。

如果其上覆硬土层发生刺穿破坏，则钻井船桩脚尖将穿过硬土层进入第四层，由于第四层强度较弱，只有钻井船桩脚最后“坐”在第五层砂性土上，钻井船船体才能够达到稳定状态。

通过计算分析，海洋石油941号钻井船桩脚最终入泥深度为12.9 m(如图5(a))。

如果发生挤压破坏，则钻井船桩脚“坐”在第三层后跟随第三层一起将下覆软弱层慢慢排开，使得第三层与第五层叠加在一起，从而使得钻井船获得足够的承载力得以稳定。

通过计算分析，海洋石油941号钻井船桩脚最终入泥深度为7.4 m(如图5(b))。

表2 B孔土质分层及土质参数(部分)Tab.2 Soil stratigraphy and design parameters for boring B(portion)

图4 A孔位承载力分析曲线Fig.4 Ultimate leg load versus footing tip penetration curve for boring A

图5 B孔位承载力分析曲线Fig.5 Ultimate leg load versus footing tip penetration curve for boring B

2.3 预测与实际插桩深度对比

通过以上分析计算，对两个井场中的软弱层利用两种不同的破坏形式计算出来的钻井船桩脚尖入泥深度结果相差很多。钻井船实际的插桩深度分别为3.6～3.9 m和8.5 m，实际插桩结果均与挤压破坏条件下的计算结果相近(表3)。

这表明，在特定的条件下，采用挤压破坏模型预测海洋石油941号钻井船的插桩深度相对来说是很准确的，采用该模型进行分析也是十分必要的。

表3 实际插桩深度与计算插桩深度对比Tab.3 Calculated and measured values of penetration depth

3 挤压破坏模型的适用范围

综合钻井船插桩实践，再通过分析挤压破坏模型和刺穿破坏模型的内生原理与差异，认为挤压破坏模型的应用应满足以下几个条件:

3.1 钻井船自身桩靴及压载条件

表4 几种桩脚式钻井船桩靴尺寸Tab.4 Footing sizes of several spud-can supported jack-up rigs

1)大桩靴钻井船

挤压破坏模型一般适用于大桩靴钻井船，即桩靴体积和有效面积均相对来说比较大的钻井船，这样的钻井船桩靴能够覆盖较大的海底面积，从而使海底软弱层倾向于发生挤压破坏。海洋石油941号钻井船属于大桩靴钻井船，桩靴最宽部分的面积为254 m2，有效直径为18.0 m(图1)。如表4所示，与其他钻井船相比，其桩靴体积和有效面积均较大。

2)钻井船的压载方式

钻井船的压载方式也决定其就位孔位土层的破坏形式，如果就位过程中采用缓慢多级压载，土层破坏接近于挤压破坏模型，如果压载过快，土层破坏接近于刺穿破坏模型。

3.2 土质特性

1)两层相对较强的(这里所述为粒状土)土层之间夹一层软弱的粘土层或迭层/互层土。

使用两种破坏模型分析的关键层位即两强夹一弱土层分布，对于这种土层，钻井船在插桩过程中，可能发生刺穿破坏，也可能发生挤压破坏，挤压破坏只是其中的一种破坏形式。

2)软弱土层的强度和厚度

工程实践证明，软弱土层一般为非常软到稍硬的粘性土或迭层/互层土，强度一般小于45 kPa，其厚度一般小于或等于上下硬土层厚度或小于等于10%桩径。

以上为选用挤压破坏模型分析关键层位的必备条件，缺一不可。

4 结语

实践证明，挤压破坏模型的引用，显著提高了大桩靴钻井船插桩深度预测的准确性。

但是，在实际应用中，对于某些井场也不能单纯地只应用挤压破坏模型进行分析计算，要结合井场的土质条件和工程特性运用多种方法进行综合判断分析，这样有助于提高预测钻井船插桩深度的准确性，从而为钻井船就位作业提供更精确的指导建议。

志谢:感谢本单位周杨锐总工和郑喜耀高工在论文撰写过程中的支持和帮助。

［1］ 汪张棠，赵建亭.自升式钻井平台在我国海洋油气勘探开发中的应用和发展［J］.船舶，2008，1:15.

［2］ 郑喜耀.自升式钻井平台插桩深度计算及几个问题的探讨［J］.中国海上油气:工程，2000，12(2):18-20.

［3］ Young A G，Focht J A.Subsurface hazards affect mobile jack-up rig operations，soundings［J］.McClelland Engineers Inc，Houston，1981，3(2):4-9.

［4］ Hanna A M，Meyerhof G G.Design chart for ultimate bearing capacity of foundation on sand overlying soft clay［J］.Canadian Geotechnical Journal，1980，17(2):300-303.

［5］ 吴秋云，周杨锐，冯秀丽，等.自升式钻井船基础刺穿分析方法在渤海石油开发区的应用［J］.海岸工程，1999，18(4):16-17.

［6］ SNAME，Recommended Practice for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units［S］.2002:61-70.