井下油水分离技术是一项高效、节能、环保的新技术。可在同一井眼内进行油水混合物的采出、油和水的分离、油的举升以及产出水的回注。目前,国内该技术尚处于装置研发及试验推广阶段。前期的现场试验及示范应用表明,生产层、注入层、动力泵及井下油水分离器的工作参数对系统设计影响较大,系统匹配设计比较困难;而且在不增加系统复杂性的情况下,难以有效地诊断井下油水分离器、增压泵、生产层及注入层的工况。本文针对上述问题,以新型地面驱动螺杆泵井下油水分离生产系统为研究对象,理论分析、数值模拟及室内模拟实验相结合建立该系统的优化设计模型,并提出该系统的优化设计方法;同时,初步提出一种系统工况诊断方法。首先,介绍了新型地面驱动螺杆泵井下油水分离生产系统的结构组成及工作原理,对系统进行了模块划分及协调关系分析。研究了将大涡模拟(LES)模型和代数滑移混合物(ASM)模型结合用于井下油水分离器数值计算的方法。在前研究初步确定的井下油水分离器结构基础上,采用该数值计算方法,优化了入口流道的形状与结构参数。采用Plackett-Burman试验设计筛选出显著因子;再采用最陡爬坡法设计试验,确定出响应曲面试验设计的中心点;然后基于响应曲面法建立显著因子与底流含油浓度之间的二阶响应模型,最后采用粒子群全局优化算法寻优,确定最优结构参数。室内实验验证了此优化方法的可靠性。其次,数值模拟与室内模拟试验相结合研究双级串联式井下油水分离器的分流特性和分离特性。分流特性方面,溢流比随着总分流比的增大先迅速减小后趋于平缓,并推导出一、二级分流比与总分流的关系式。在大量实验数据基础上,分别分析了入口流量、总分流比与底流含油浓度的关系,并建立了反映三者之间关系的数学模型。为下一步系统优化设计及工况诊断模型的建立奠定了必要基础。分离特性方面,数值模拟表明,底流含油浓度分别随着入口流量和总分流比的增大而逐渐变小。而实验结果表明,随着入口流量增大,底流含油浓度逐渐变小并趋于平缓,当入口流量大于40m3/d时,底流含油浓度又迅速增大;底流含油浓度随着总分流比的增大先变小,当总分流比大于0.55时,底流含油浓度又开始增大。此外,室内模拟实验和数值模拟研究了设计工况下,各级井下水力旋流器对整个井下油水分离器分离性能的影响,结果表明:第一级起了主要分离作用,分离出了绝大部分油,而第二级对于进一步降低底流含油浓度起了关键作用。最后,分析生产层模块、单螺杆泵模块、井下油水分离器模块、井筒管流模块、注入层模块及抽油杆模块的工作特性、水力学特性或受力的基础上,建立各个模块的数学模型。以注入液含油浓度和井下效率为优化目标,基于整个系统的压力、流量及含水量协调关系,提出该系统的优化设计方法。实例设计验证了该方法的可靠性。同时,提出了该系统的工况诊断方法,并进行了实例应用,初步验证了该方法的有效性。利用该工况诊断方法分析了注入层压力、井口套压和螺杆转对工况的影响,为井下工况调节提供理论依据。