油气开采中，油气水多相分离是必不可少的工艺过程。目前应用较多的采出液分离装置是重力沉降罐，但是由于陆地油气资源越来越匮乏，油气开采逐渐向海上油田甚至深海迈进，重力沉降罐在处理量和分离效率等方面已不再满足应用需求，急需研制具有体积小、处理量大等特征的高效分离技术，一方面可以最大限度地降低油气开采成本，另一方面能够适应深海高压环境。在上述研究背景下，本文基于油气水多相流动基本理论，针对管道式多相动态分离机理与关键技术开展了研究工作，并通过研究不同分离技术和装置内部的相分布和流场特征，系统优化了分离装置的分离特性，探索了分离装置整体控制的逻辑及方案，提高了油气水多相分离能力。 结合k-ε湍流模型和混合模型对T型分支管路的流场特性进行了系统分析，得到了管道内气液两相的相分布和动态分离过程的特点，结果表明：惯性力与离心力的平衡决定了气液两相各自的流动方向；倾斜角度在0o 到30o时，T型分支管路的分离效率严重依赖于倾斜角度，而倾斜角度在30o到90o时，倾斜角度对分离效率的影响不大；当立管增加到一定数量后T型多分支管路内的流动会趋于动态平衡，分离效率基本不再变化。T型多分支管路压力控制研究结果表明，存在一个临界压降比使得T型多分支管路分离效果最佳，综合考虑压降与系统压力对分离效果的影响，提出了无量纲压力。基于实验数据和理论分析，得到了无量纲压力与分离效率的关联式，该公式能够合理地预测T型多分支管路的相分离结果，可用于指导T型分支管路入口与出口压力设置以最大化其分离效率，并且可得到分离后各个出口气液混合物的组分，指导整体分离系统的优化设计。 为进一步增加多相分离的效率，将T型分支管路动态分离原理与浅池原理相结合，提出了偏心T型套管的设计，并对其流动特征和分离性能等进行了研究。结果表明，偏心T型套管“管中套管，偏心放置”的设计有利于油水分层流动，能够减少沉降时间，并能最大限度地避免油水分离后重新掺混；分离效率与油流速、水流速、混合流速以及含油率等因素相关，且对入口处的油水两相流型很敏感，对于分离流型，油水能够得到良好的分离，但是对于分散流型，油水分离效率较低。此外，研究发现使用浮油管能够提高偏心T型套管的分离效率。 采用理论分析、实验测试和数值分析的方法，对气液柱型旋流器内部的流场特性和分离特性进行研究。实验中，采用Malvern在线粒度仪和ERT成像系统对旋流器内的粒径分布和相分布进行了精确测量，为柱型旋流器内液滴的破碎聚并以及分级迁移等理论的建立提供了可靠的依据。实验发现，液体表观流速增加会使入口小液滴的粒径分布增加，而对入口大液滴的粒径分布基本没有影响，而气体表观流速增加会使入口粒径整体变小。研究得出，可通过调节上下出口差压实现对气液柱型旋流器内液位的控制，并发现液位在入口下方、液体出口上方时，液位对取样口处的粒径分布以及上部携液量基本没有影响。研究发现随着气体表观流速的增加，小液滴以及中等液滴起初以聚并为主，随后以破碎为主，而液体表观流速增加会使小液滴以及中等液滴始终以聚并为主，取样口最大粒径主要由入口气量以及入口结构决定，与入口液量无关。同时，根据旋流器下部截面相分布特性，总结得到了旋流器下部的气液分离规律。结合实验观测和量级分析确定了液滴在旋流器中所受的主要作用力，建立了液滴迁移模型，较为准确地预测了取样口最大液滴粒径以及上部携液率，该模型可用于指导气液柱型旋流器的规范化设计。通过结合RNG k-ε湍流模型和离散相模型，对液滴在旋流场中的行为特性进行了分析，结果表明小液滴质量较小，能够与气相连续相保持较好的连贯性，最早进入旋流器，且能迅速填充旋流器上部，液滴在旋流器下部做三维螺旋运动，由于离心作用，液滴在壁面处发生碰撞聚并的概率较其他区域要大，所形成的液滴粒径值也最大。 基于文中T型多分支管路、偏心T型套管和气液柱型旋流器三种典型的管道式分离技术的理论成果，针对油气资源开采现场的工况，设计了相应的管道式多相分离系统，并在工业现场进行了应用分析，将理论成果应用于工业生产，验证了理论成果的可靠性，并促进了油气水多相分离技术的发展。