升沉补偿装置是深水油气勘探开发作业必备的核心装备,其作用是在钻井平台(船)进行作业时,克服风、浪、流等引起的升沉运动,保持钻压或下放悬重,避免设备损坏甚至停工等。天车升沉补偿装置是一种钻柱型升沉补偿装置,其中主被动联合天车升沉补偿装置具有结构简单、实时检测、自动控制等优点,在平台(船)中应用广泛。近年来,我国钻井平台(船)高价引进了主被动联合天车升沉补偿装置,而国内科研院所和高校所开展的研究主要针对游车补偿装置、齿轮齿条式和复合缸式天车补偿装置,未见有主被动联合天车升沉补偿装置的系统性研究与分析,不利于掌握其核心技术,有碍产品自主研发和我国深水油气资源全面开发。为此,本论文开展了主被动联合天车升沉补偿装置研究,其主要内容与结论如下:(1)开展了天车升沉补偿装置方案研究。对比分析了多种天车补偿装置,利用层次分析法建立了其结构布置方案的评价指标体系,并基于该体系对多种产品的方案进行了模糊综合评价,结果显示:半主动补偿装置是深海作业优先选择,其补偿缸数量应以1个主动缸与2个被动缸相结合的方案为最佳,液压缸布置角度优先考虑垂直布置。(2)开展了补偿装置结构设计与关键部件安全性分析。根据模糊综合评价结果设计了主被动联合天车升沉补偿装置结构,建立了装置三维模型。通过Workbench对关键部件进行了应力应变、屈曲、疲劳分析,结果显示:摇臂机构杆件的强度刚度和稳定性满足要求,摇杆关键部位未发生疲劳失效;天车架强度满足设计要求。(3)开展了补偿装置理论分析。根据主被动联合天车升沉补偿装置结构特点,建立了补偿装置作用下钻柱纵向振动模型,计算分析了模型的刚度、阻尼系数,推导了系统传递函数,确定了 PID控制策略,检验了控制回路稳定性,为补偿装置仿真提供依据。(4)开展了补偿装置补偿效率研究。设计了装置的液压系统方案,进行了补偿缸、蓄能器、泵、阀的计算分析。基于前文研究的结构布置方案和钻柱振动模型,以及液压系统方案,建立了装置的AMEsim仿真模型以研究其补偿效率。结果显示:天车与海底的相对位移最大为153.00mm,补偿装置补偿效率达到95.98%以上;钻压变化最大值10.47kN,钻压变化范围在±7.13%以内,与理论计算钻压变化量有12.2%误差。天车模型下补偿动载幅值较游车模型补偿动载幅值更小且波动次数更少。(5)开展了补偿装置试验研究。根据相似原理研制了主被动联合天车升沉补偿试验装置,开展了正弦波激励下的补偿试验研究,结果表明:在补偿载荷12.85kN,行程340mm,周期12s的工况下,天车最大位移为12.22mm,试验装置补偿率达到92.81%以上,补偿缸对模拟海浪的补偿仅有0.14s的滞后,响应迅速;试验装置能够正常开展试验研究,检验了前文研究方法,且为进一步研究奠定基础。