随着油田开采年限的逐渐增加,采出液的含水率逐年攀增,开采成本显著提高。常规集输处理工艺难以应对这种高含水局面,为实现节能降耗、同时保证原油稳产或上产,油井采出液高效预分水是解决高含水时期油田集输处理瓶颈难题的有效方案。利用超重力作用的油水旋流分离技术因具有分离效率高、结构紧凑等优点而在油井采出液预分水方面颇受青睐,也为条件更为严苛的海洋油气集输处理提供了技术支持。本文系统总结了迄今国内外各种油井采出液预分水技术与设备,以液液旋流分离理论为基础,提出了一种管式轴向入口旋流预脱水器的设计方法。通过理论计算,完成了管式轴向入口旋流预脱水器起旋区、稳旋区和分离区等主体结构设计以及入口、叶片载体等附属结构设计;重点讨论了三种静态起旋叶片的结构设计,最后初步确定了室内样机的结构尺寸和工程样机的结构形式。为了验证设计方法和结构方案的可行性,通过计算流体动力学(CFD)数值模拟对管式轴向入口旋流预脱水器的内部流场和油水分离过程进行了系统分析讨论。结果表明,旋流预脱水器内形成了稳定的旋流流动,满足设计要求。在此基础上,采用响应曲面法(RSM)对设备主体结构进行了全因素、多目标优化设计,得到了最优结构参数组合;预测了操作参数对分离性能的影响规律,为室内实验研究奠定基础。基于数值模拟优化结果,设计了处理量为1.00m~3/h的管式轴向入口旋流预脱水器室内实验样机,开展了系统实验研究。结果表明,旋流预脱水器处理含水率为60%-90%的模拟采出液时,在保证水出口处的含油浓度低于1000mg/L的前提下,分水率可达50%以上;通过不同静态起旋叶片的对比实验,证明圆弧叶片能有效提高分离效率,增强操作弹性;与常规切向入口水力旋流器相比,管式轴向入口旋流预脱水器在提高分离效率、促进油滴粒径增大、降低设备能耗方面表现较好,在操作可控性方面也有一定提升。从能够达到的最佳性能指标参数来看,当处理含水率为90%、处理量为1.00m~3/h的模拟采出液且最佳分流比为0.45时,管式轴向入口旋流预脱水器的分水率可高达62.9%,且水出口处的含油浓度可降低至432.8mg/L。以室内实验研究结果为依据,通过理论设计和相似放大设计两种方法,完成了处理量为10.0m~3/h的工程样机设计。CFD数值模拟对比分析结果表明,两种方案所设计工程样机的分离效率相差不大,但相似放大设计能有效降低设计成本、缩短设计周期,在系列化产品设计时准确便捷。在完成了多管并联布置、罐体封头等辅助性设计后,外委加工了集来流混合、旋流分离、取样化验等于一体的工程样机撬装结构。论文完成了管式轴向入口旋流预脱水器自主设计研发的前期基础性工作,为高含水油井采出液的高效预分水提供了切实可行的技术解决方案。