气井生产应用井下气水分离技术可将气井的产出水直接在同井中回注,该项技术具有良好的经济效益和环保效果。本文首次提出采用螺旋旋流分离器进行井下气水分离,独创性地设计了一套采用螺旋旋流分离器将气水分离后注入同井水层的工艺系统。首先,结合常规气井排液工艺方法提出了采用螺旋旋流分离器进行井下气水分离的合理性。首次以螺旋分离器的螺距、螺旋圈数,以及液流和气流的流量等因素作为影响分离器的工作性能与分离效率的基本参数。其次,推导出实际的气液分离流场中分散相液滴的聚并计算公式;提出了天然气井积液诊断方法并编制了井筒积液预测软件;确定不同直径颗粒在不同加速度下所需螺距及螺旋圈数,为螺旋分离器设计提供了理论依据。再次,分析确定了Reynolds应力模型(RSM)为最适合螺旋旋流分离器分离性能数值模拟研究的湍流模型;针对设计的十一个模型应用FLUENT软件分别模拟了单相气体流场与气液两相流场,详细研究了结构参数变化对螺旋结构内气相湍流流动的影响关系以及影响分离器分离效率的影响因素。由结果分析得出了分离器螺距、螺旋圈数与分离器压降、截面压降、速度分布及分离效率之间的关系。重点讨论了结构参数与压降之间的关系:即在固定相同的入口速度与分离器螺旋圈数的情况下,螺距的大小与气体经过分离器产生的压降成反比;当螺距不变时,入口速度越大,气体经过分离器产生的压力降也越大;在相同的螺距长度下,分离器螺旋圈数越多,压力降越大。也可以看出入口流速对流场内过流断面气相速度分布影响较大。对分离器内气液两相流动模拟研究发现,在螺距、颗粒直径相同条件下,螺旋圈数越多,颗粒在分离器中分离效率越高。在螺旋结构相同条件下,颗粒直径越大越容易分离。根据数值模拟结果分析,得出最佳螺旋结构为Case1,即螺距为D1,螺旋圈数为N1。本文还自行设计了螺旋旋流分离器室内实验架,结合生产实际参数与数值模拟分析结果,证实了螺距为D1、螺旋圈数为N1的螺旋旋流器具有较好的气—水分离效果,分离效率在90%以上。最后,本文成功设计出螺旋旋流分离器分别结合螺杆泵与电潜泵两套井下气水分离回注装置,设计编制了井下气水分离回注生产系统设计软件。同时选取胜利油田水淹气井,采用螺旋旋流气液分离与螺杆泵增压进行同井回注现场试验,取得显著效果。