如今石油天然气产业发展迅猛,世界上各发达国家逐渐将目光投向海洋资源,并从浅水逐渐向深海领域发展。水下分离器系统主要包括水下分离器及水下控制系统,其是水下油气生产系统中的关键设备,能够在水下甚至深水环境下完成气液两相分离或油水气三相分离。本文对水下分离器关键结构和控制系统进行了分析和研究,成功研制出了水下分离器及控制系统实验样机,并进行了联合实验,对其关键性能进行测试。在分析国内外水下分离器及控制系统的发展现状的基础上,提出了水下分离器及控制系统的总体方案,并进行了三维建模。确定了水下分离器气液分离装置、油水分离装置和橇体的方案,确定了水下控制系统机械结构、液压系统和电控系统总体方案。根据水下分离器的工作环境及生产要求,对重力式水下分离器的气液分离装置进行研究。确定气液分离装置入口管的结构形式和参数,并通过仿真分析不同入口管倾角对气液分离装置内部速度场、压力场和压力损失的影响,确定最佳下倾角度;考虑高低气液比两种条件初步确定了立管的直径范围,并通过仿真分析不同直径对溢流口处液相体积分数、压力降和分离效率的影响,优选出最适合的立管直径;基于柱状旋流分离理论,确定立管入口分离区和旋涡区的高度,并通过仿真分析不同滴液区高度对对溢流口处液相体积分数、压力降和分离效率的影响,优选出滴液区最佳高度。根据水下分离器的控制要求,完成方型水下控制系统的研制。完成液压和电气接头布局并对上、下对接盘进行结构设计;确定采用二级导向的方式,其中精导向采用圆柱销和菱形销相配合的“一面两销”定位方式,并对定位误差进行分析;设计了一种简单可靠的锁紧机构,对其进行受力分析和并选取合适的安全销材料;根据液压系统工作原理,对液压阀块及其内部油路进行布置,并对液压阀块内部油路进行设计与校核;确定了采用两个互备冗余的水下电子模块的冗余控制方案并完成了水下电子模块的硬件和软件设计。对控制系统进行对接实验、安全销剪切实验和液压系统实验,验证其性能达到设计要求;将水下分离器及控制模块实验样机进行联合实验,验证了水下控制系统能够采集水下分离器上的变送器信息及实时控制水下液控球阀执行器,且能够对油相液面、油水界面及分离器压力进行稳定控制。