柱塞气举技术是目前能够解决因气田开采而造成的井内积液问题的最经济有效的排水采气技术。气井井下排水采气装置的工作性能是决定工艺实施的关键,为提高效率,引入了分体式柱塞气举技术以实现不关井生产,但目前此技术面临许多问题,如气体滑脱和液体漏失导致密封效果不好,严重时导致泄露;井中下落过程中提前结合、下落困难以及未实现完全不关井等。根据分体式柱塞气举原理及排液运行规律,本文针对以上存在的问题,以典型分体式柱塞结构为基础,开展了分体式柱塞气举装置的优化设计及数值模拟研究。为了保证装置设计的可行性以及排水采气的有效性,研究时采用了理论分析、数值模拟与室内实验三者结合的方式。针对目前分体式柱塞存在的气体窜流和液体漏失而影响排液效率问题,本文以典型分体式柱塞外壁密封环槽结构为基础,从不同槽型、槽深、槽宽、槽间距及槽数方面进行了结构优化设计,并利用Fluent软件开展了数值模拟研究,结果表明:柱塞外壁开设环槽能形成紊流密封效果,明显增大柱塞上下压差,提高其密封性。不同环槽形状对柱塞排水采气的密封性能有显著影响,且斜梯形槽的密封效果最好。当槽深为6mm,槽宽为12mm,槽间距为4mm,槽数量达17个时,柱塞的密封效果最佳。针对柱塞存在的井中下落过程中提前结合及下落困难等问题,本文对柱塞内孔及密封体结构进行了优化设计和数值模拟。结果表明:引入的文丘里式内孔结构提高了柱塞的下落能力,下落速度提高了约41%,同时补偿了因提高密封性能而增加的柱塞下落阻力。此外,与之匹配的球密封体球径相应减小,下落能力明显提高,避免了与柱塞的提前结合,在大气量下也不存在下落问题。在上述优化结果的基础上,开展了数值模型验证实验、柱塞密封性能及排液实验等室内模拟实验研究。结果表明,所设计分体式柱塞排液性能良好,可适应不同井况的要求,实验工况下漏失量均小于1%。密封性能及携液能力显著提高,实验结果与模拟结果误差低于10%,进一步验证了结构设计的合理性以及数值模拟的可靠性。实现了不关井生产的连续性高效排水采气,具有极大的应用价值。