本发明提供了一种天然气油水分离装置及其分离方法，属于天然气开发设备领域。其技术方案为：包括油水分离罐体、设置在油水分离罐体顶部的预过滤机构，还包括设置在油水分离罐体侧面的油渣处理机构，油水分离罐体包括罐体和顶盖，顶盖内部设置有预过滤机构，预过滤机构包括倾斜设置在顶盖内的油渣过滤板，油渣过滤板较低一侧设置有U形漏料口，U形漏料口下方设置有导料槽，顶盖顶部设置有油渣过滤板清理组件，油渣处理机构包括设置在顶盖侧面的处理筒体，处理筒体内设置有过滤筒体。本发明的有益效果为：能够高效快捷的进行油水分离，同时能够高效的将油渣中携带的大量油水进行分离，节省了大量的资源。