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随着油田进入开采的中后期,油井产出液中的含水率日益升高,给后续油气集输处理环节带来了较大压力,采用传统的容器式重力分离技术来实现产出液预脱水由于分离效率低、投资成本高等原因受到较大限制;此外,随着海洋油气资源的大力开发,受限于海上平台甲板空间和载重能力,传统处理方法和容器式重力分离设备难以满足设计施工要求,因此研究开发结构紧凑、性能高效的油井产出液预脱水技术意义重大。本文在系统总结油水分离用静态水力旋流器研究及应用进展情况的基础上,以轴向入口水力旋流器作为研究对象,结合常规切向入口水力旋流器的设计方法,提出了轴向入口水力旋流器的结构设计思路,借助计算流体动力学(CFD)软件FLUENT验证了可行性,并通过数值正交试验研究了部分结构参数对分离性能的影响。基于建立的结构设计方法,设计了处理量为30m3/h的轴向入口水力旋流器工程样机,借助FLUENT软件、通过单因素数值试验探究了主要结构参数对分离性能的影响,筛选得到了最优结构参数组合,并基于该最优参数组合探究了不同操作参数对分离性能的影响。根据单因素数值试验结果,采用响应曲面法(RSM)对影响分离性能的主要结构参数进行优化,得到工程样机的整体最优结构参数组合。为了评估轴向入口水力旋流器的分离特性,同时为工程样机的现场试验提供参考,设计研制了小处理量室内试验样机。首先比较了高含油油水混合液的不同配制方案,并最终确定贴近工程实际的方案;其次,研究了处理量、分流比和出水口背压对分离性能的影响,得到轴向入口水力旋流器运行时的最优处理量和分流比范围。结果表明,处理量在100%~120%设计处理量、分流比在10%~15%入口进液量时,分离效果较好。为了解决试验过程中出水口含油浓度较高的问题,采取增加小锥段长度的改进措施,有效改善了分离效果。本文的理论分析和实验研究工作为油井产出液预脱水用轴向入口水力旋流器的研制提供了技术参考,为下一步产品的工程化和系列化开发奠定了基础。