钻柱升沉补偿系统是海洋浮式钻井平台的重要组成部分，是保障正常钻井，并对海浪造成的升沉运动进行补偿的系统。深海钻井所采用的浮式钻井平台在波浪的作用下产生周期性的升沉运动，带动钻柱上下往复运动引起井底钻压变化，影响钻进效率，降低钻头和钻杆寿命，在恶劣天气下甚至导致无法钻进和被迫停工，造成巨大经济损失。通过分析研究目前使用的钻柱升沉补偿系统的结构、工作原理、补偿效果及能耗，设计了一种采用双缸倒置的游车与大钩间装设的半主动式钻柱升沉补偿系统。在此基础上，设计了基于变量泵、电液比例方向阀和气液蓄能器为主要部件，控制补偿缸活塞运动的液压升沉补偿系统详细方案，并进行了该系统的机械、液压和电控参数计算；设计了系统的机械结构，包括补偿缸、上框架、下框架，锁紧装置等；设计了系统的液压方案，可满足正常钻进和轻载时的补偿需要，并可实现钻压调节；设计了系统的电控方案，采用IPC为上位机，PLC为控制器的DCS系统，可实现升沉补偿系统的实时参数检测和自动控制。建立了被动式、主动式和半主动式升沉补偿系统的数学模型和仿真模型，并利用Simulink进行了仿真研究，结果表明：被动式升沉补偿系统具有一定的补偿效果，但补偿效果比较差，并且存在滞后现象；主动式补偿系统，补偿效果好，精度高，抗干扰能力强，但要求瞬时功率较大；半主动式补偿系统结合了被动式和主动式的优点，具有较好的补偿效果和较低的能耗。基于相似原理，设计了复合缸式钻柱升沉补偿试验台，可进行钻井平台升沉模拟、大钩负载模拟和钻柱补偿控制等相关实验；建立了以定量泵、电液比例方向阀和不对称液压缸为主要部件的升沉模拟系统，采用死区补偿和PID控制相结合的策略，较好地实现了升沉的模拟；采用液压缸、蓄能器和电磁阀为主要部件的负载模拟系统，可实现大钩静载和动载的模拟；采用变量泵、电液比例方向阀、补偿液压缸、蓄能器和电磁溢流卸荷阀为主要部件的补偿系统，可较好地实现升沉补偿的控制。基于升沉补偿系统模拟试验台，设计了被动补偿、主动阀控补偿、主动泵控加阀控补偿、半主动阀控补偿和半主动泵控加阀控补偿的控制方案并进行了实验研究，实验数据表明：主动补偿和半主动补偿方案补偿效果较好，是理想的控制方案。进行了不同补偿方式的能耗分析，并对其进行了比较。被动补偿不消耗能量；主动式阀控方式要求系统瞬态功率较大，能耗也是最大；主动泵控加阀控控制了驱动液压泵的流量，能耗少于阀控方式；半主动式阀控补偿方式由于补偿蓄能器储存能量用于补偿，其补偿能耗远远小于主动阀控补偿方式，比主动泵控加阀控方式亦小；半主动泵控加阀控控制策略要求较高，控制效果不如半主动阀控好，能耗相对略低。利用所建立的模拟试验台、设计的控制系统和开发的控制软件，对升沉补偿模拟系统进行了试验研究，并与仿真结果进行比较，表明：仿真模型和模拟试验结果与理论分析的结果基本一致，升沉补偿系统模型及其模拟试验系统都具有较好的补偿精度，证明了论文所设计的升沉补偿系统方案的正确性，设计的控制系统和选用的控制方法的有效性，开发的控制软件稳定可靠，系统可满足深海钻井升沉补偿要求。通过系统仿真和实验研究得知，半主动阀控升沉补偿系统具有较好补偿效果和较低的系统能耗，是一种较理想的方案。本课题完成了升沉补偿系统的方案设计、参数计算、建模仿真、实验分析、控制研究等内容，产生了一系列具有自主知识产权的研究成果，对提高我国海洋技术装备水平，加速我国海洋钻井技术的推广和应用具有重要意义。