用于采出液井下油水分离的水力旋流系统的效益主要在于减少了采出水的开采及处理费用，有效降低了地面处理设备的液体负荷。地面处理设备的减少对海上应用具有重要意义，地面分离设备的减少和费用的降低可延长油田寿命，使油田从边缘区向中央区开发在经济上具有可行性。人们正在对井下分离系统进行进一步研究以提供适于海上应用的各种设备。水力旋流器作为井下油水分离(DOWS)系统之一，让我们先认识一些概念术语。
　　
　　水力旋流分离
　　
　　水力旋流器已广泛应用于地面油/水分离，其外形尺寸小，结构紧凑，设备成本低，操作费用低。对水力旋流器运行进行讨论将有助于了解与井下油水分离系统有关的设计问题。
　　
　　载压流体混合物通过一个或多个切向入口进入水力旋流器，促使流体在装置内旋转，水力旋流器的锥形加速了流体螺旋形流动，建立了自由的旋涡，创建了大的离心力。离心力致使轻的物质(即油，游离气)游离到水力旋流器的中心，而密度大的物质(如水，固体)由于力的作用被甩到了外壁，通过在高压下保持底流，迫使旋涡的浓缩油核逆流。结果，浓缩油流流向溢流，而不含油的水流则流向底流。
　　
　　通常，大部分水力旋流器用于采出液的“除油”，烃(碳氢化合物)的去除(<<1%)比排放或回注井下的采出水的处理更重要。在地面，水力旋流分离器可代替游离水脱除器。对于含有一定比例的油流分离成浓缩油流和适于处理的污水流，这种运用与井下分离运用相类似。
　　
　　水力旋流器工艺设计
　　
　　人们已很好地总结出制约水力旋流器分离性能的因素。一般来说，密度差大，分散粒径大和连续相粘度低均有助于分离。对于地面的采出水处理，游离水脱除器的运用，使用水力旋流器的工艺设计已相当普遍，并已经建立一套相关规范。然而，井下分离应用的经验需对这些规范重新评价。
　　
　　流体剪切
　　
　　剪切意指通过轴向液流速度有一个梯度。通常，剪切率高会出现紊流，发生高速液流流过静态通道的现象，通常由表示液流变化的压力变化表明。由于高剪切对分散的液滴分布会产生负面影响，所以应避免油水分离器上升物流的高剪切。在高剪切作用下，水中油分散相组成的流体混合物平均油滴直径会下降。由于脱油水力旋流分离器性能与油滴直径有关，通常，尽可能避免水力旋流分离器的上升物流的剪切作用过大。
　　
　　在工艺设计中，诸如管线，控制阀和泵均可产生高剪切，通常，通过控制阀的压降越高，泵效越低，剪切速率越大，则对于分离器性能的负面影响越大。高的剪切速率同样可发生在水力旋流器本身。特别是典型的脱油水力旋流器的切向入口使油水混合物易于形成高的液流速度导致高剪切速率的产生。
　　
　　据观察，在高剪切速率下，水包油颗粒平均油滴直径小于50μm对于进一步降低液滴尺寸不太敏感。
　　
　　粘度
　　
　　水相油滴的分离速度或油相水滴的分离速度与连续相的粘度是成反比的。所有其它的变量相等，由于水的粘度低，通常，从水中除油较油中除水要容易些。
　　
　　另外，当用水力旋流器处理高粘度混合物时，在水力旋流器内要想达到需要的涡流是非常困难的，动态和静态水力旋流器的摩擦损失和流体混合物的摩擦损失会阻止形成迅速分离的离心力。
　　
　　基于这些原因，水力旋流分离器主要用于分离水包油的油水混合物。水包油指油作为分散的液滴(分散相)完全被连续的水相包围。水包油混合物的粘度接近水的粘度，除非油含量很高，否则，水包油混合物的粘度几乎不受油粘度的影响。随着混合物含油量的增加，油越来越影响着混合物的粘度。当受到高剪切速率的影响，含油量高的油水混合物会形成用水力旋流器难以处理的高粘乳化液。
　　
　　流量分离
　　
　　水力旋流器不可能同时得到清水液流和脱水油流。分离性能一定侧重于清水或是无水原油。这种性能侧重可通过调节“分离流量”或溢流(油)占入口液流的百分数来实现。
　　
　　总之，增加流量将改善水质，以获得最小含油量。随着分离流量的增加，溢流的水量增加。相反，在增加水中含油量的情况下，降低分离流量将改善油流的脱水直至使油中含水量最小。
　　
　　当典型的水力旋流器出口油流中含水量大约为25-50%时，水流会很清澈。在理想的情况下，人们认为水力旋流器会得到含油量小于100ppm的水流，同时油流中含水量可降低到25%～50%。当从油中除水时，水力旋流器会得到含水量小于10%的油和含油1%～2%的水流(这些数字均由现场实例所得，由于采用的水力旋流器不同，工艺条件不同，实际分离性能有显著区别)。
　　
　　有两种方式来调节分离流量。当调节范围大时，需要改变溢流或底流出口的相应尺寸，最常见的方法是改变水力旋流器的溢流出口孔板尺寸。
　　
　　分离流量的微量调节可通过调节水力旋流器的压差比(Rpd)来实现，Rpd定义为
　　
　　Rpd=(Pi-Po)/(Pi-Pu)
　　
　　式中：Pi=入口压力Po=溢流压力Pu=底流压力
　　
　　通过调节油、水出口的开口来改变分离性能，在水力旋流器内Rpd(压差比)同样也对油，水的分离有影响。选择的溢流孔板尺寸使分离的物流设定在合理的情况下，当求得Rpd值的范围在2.0-2.5之间时，用于井下油水分离的水力旋流器达到最佳分离性能。总之，需要选择孔板来设置分离流量，控制Rpd，使其保持在最佳范围。
　　
　　每个水力旋流器设计将在Rpd、溢流孔板尺寸和分离流量之间有一特殊的关系。
　　
　　低剪切
　　
　　水力旋流器内剪力的量是另一设计难题,设计的新型水力旋流器在水力旋流器内对剪力有一限制。这减少了形成油包水乳化液的倾向，降低了水相中细小的油滴的形成。
　　
　　优化分离流量
　　
　　如上所述，水力旋流器仅可以产生一种“纯净”液流。在减少出口污染的同时，新设计打算保持一种洁净出口，这可以通过优化装置分离流量来实现。设计的新型水力旋流器尽可能在接近入口油体积浓度而又保持有效分离的分离流量下运作。
　　
　　改进的工艺设计
　　
　　水力旋流器设计的改进将改善井下油水分离系统的性能，改进的工艺设计应达到海上应用的目的。
　　
　　提高井下油水分离系统的除水能力的方法之一是采用多级分离。在这种情况下，一级水力旋流器优化以从开采中尽可能多地除去水，一级不能生产出符合质量要求的注入水。水力旋流器的二级用于清洁从一级排出的水流以达到注水要求。
　　
　　结语
　　
　　根据陆上安装的经验，考虑到海上采油经济学并不需要最低的设备成本，海上经济学要求单井采油量最大而地面设备最少。人们研究开发出具有处理量高，性能可靠，含水量、油重度适应范围广的井下油水分离系统之一━━水力旋流器。预计，该设备将对延长海上油田寿命和改善新油田开发的经济可行性发挥重要作用。