深海石油开发大多采用半潜式平台、钻井船等浮式钻井装置进行钻井作业。由于海浪的作用,钻井平台会产生升沉运动。而平台的升沉会带动钻柱一起运动,从而引起井底钻压的不稳定,降低钻头的使用寿命,甚至被迫停工,增加了钻井成本。因此,需要采用升沉补偿系统对钻柱升沉运动进行补偿。为研究大钩位移量与钻压变化量间的关系,本文建立了钻柱系统的动力学模型,应用级数法求解了钻柱系统的振动微分方程,得到了大钩位移量与钻压变化间的关系。通过Matlab编程进行数值计算得到,在钻柱长度为10000m时,大钩位移允许的最大值为83.8mm。在对现有升沉补偿系统分析和研究的基础上,本文提出了基于复合缸的钻井升沉补偿系统设计方案,设计计算了系统的主要结构参数和液压系统参数,建立了系统的数学模型,在此基础上建立了系统的Simulink仿真模型并进行了仿真研究。仿真结果表明,升沉补偿系统的工作气瓶体积可取为12m3,系统的补偿效果较好,可满足钻井过程中各种工艺的要求,并且能耗较低。仿真还得到了不同海况下对升沉补偿系统工作气瓶体积的要求,可作为升沉补偿系统实际操作过程中的参考值。为验证仿真模型的正确性并对设计的复合缸式升沉补偿系统进行模拟实验研究,本文设计了复合缸式升沉补偿系统的模拟实验,并拟定了多套液压控制方案,以通过实验来对比各种方案的补偿效果和系统能耗,以期找到复合缸式升沉补偿系统的最佳液压控制方案。