鉆井除砂器的工作原理以水力旋流器為核心，結合重力沉降與篩分輔助，具體過程可分為以下 4 個步驟：
高壓進料階段：經振動篩預處理后（已去除粒徑＞0.8mm 的巖屑）的鉆井液，在鉆井液泵的高壓輸送下（進口壓力通常控制在 0.2 - 0.4MPa），通過旋流器的 “切線進料口” 高速進入旋流器內部。由于進料方向與旋流器內壁呈切線角度，鉆井液進入后會立即沿器壁形成高速旋轉的螺旋流場（轉速可達 1000 - 3000r/min），產生強大的離心力（離心加速度可達重力加速度的 100 - 300 倍）。
離心分離階段：在離心力作用下，鉆井液中密度遠大于液相（鉆井液基液）的砂粒、粗巖屑等固相顆粒，會受到向旋流器內壁的 “甩向力”，隨螺旋流沿器壁向下運動，形成 “外螺旋下降流”；而密度較小的清潔鉆井液（含細顆粒）則向旋流器中心聚集，形成 “內螺旋上升流”。這一過程中，顆粒粒徑越大、密度越高，受到的離心力越強，分離效率也越高，從而實現固、液兩相的分離。
固相排出階段：沿器壁下降的砂粒等固相顆粒，最終匯集至旋流器底部的 “底流口”，以 “底流” 形式排出，通常底流中砂粒含量可達 70% 以上，部分設備會在底流口設置 “底流篩”（細目振動篩），對底流進行二次篩分，回收其中夾帶的少量鉆井液，進一步提高資源利用率。
液相回收階段：向旋流器中心聚集的清潔鉆井液，沿中心軸向上運動，從旋流器頂部的 “溢流口” 排出，形成 “溢流”。溢流鉆井液的固相含量大幅降低（通常砂粒含量＜1%），可直接輸送至除泥器進行下一步細顆粒分離，或根據鉆井液性能需求部分回流至鉆井液罐循環使用，完成 “分離 - 回收 - 循環” 的閉環。