油气分离器是潜油电泵机组的重要组成部分，鉴于当前潜油电泵机组的油气分离器的分离效果不理想，研制了离心旋流式高效油气分离器以解决高含气井电泵不能正常生产的难题。该油气分离器为两级串联结构：水力旋流器为其前级，进行了优化和改造的离心旋转式分离器作为其后级。对水力旋流器的分离机理进行了研究，详细的讨论了空气柱与流场结构的定性关系，通过对其内流速度场的分析，推导出了简化的气泡分离数学模型和理论分离效率的计算公式。对旋流分离单元内的气液两相流动进行了数值模拟，流场仿真结果与理论分析及已知的旋流器流场分布规律相一致。对旋流分离单元的主要结构及操作参数对分离效率的影响进行了数值模拟，进而对其结构尺寸进行了优化，以满足进行井下油气分离的要求。通过对前后两级的结构优化设计，考虑油气分离器的工况，制造出了符合防腐、防垢、耐温和耐磨等工艺要求的分离器样机。进行了整机的室内模拟试验，试验结果表明分离效果较好；可将目前在用的油气分离器的分离能力由最大可分离入口含气率的36％左右，提高到55％左右。