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本发明提供了一种轴流式水下三级分离方法及其控制系统，应用于海底油井产液的水下直接分离。该水下分离系统依据轴流式三级油水分离工艺及其控制系统，将原油和生产污水处理设备由海上平台组块移至水下系统，从而简化油气集输和生产污水处理流程，降低流程运行耗能，最终实现油水高效分离；第一级轴流式油气水分离处理分离出油气中大部分的水，第二级轴流式快速分离处理脱除一级生产污水中大部分的油相，第三级轴流式深度分离处理脱除二级生产污水中的剩余油相；水下输送系统通过水下输送泵将各级油液增压后直接外输，分离控制系统远程自动控制各级水下分离作业并调控油井产液和含气原油的流量，且保证各级油液增压后的瞬时流压始终一致。