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。
鉆井除砂器通常由水力旋流器、底流篩、進料管路系統、溢流管路系統、底流收集裝置及輔助支撐結構組成，各部件功能明確、協同工作：
水力旋流器：是除砂器的 “核心分離單元”，也是結構設計的關鍵。其主體為圓錐形或圓柱 - 圓錐形殼體（材質多為耐磨鑄鐵、聚氨酯或高分子耐磨材料，以應對高速顆粒沖刷），主要由 5 部分構成：
進料腔：位于旋流器上部，與切線進料口連接，作用是引導高壓鉆井液平穩進入旋流器，避免進料沖擊破壞流場穩定性；
圓柱段：進料腔下方的圓柱形區域，是鉆井液形成穩定螺旋流場的 “加速區”，確保離心力充分建立；
圓錐段：圓柱段下方的圓錐形區域，是分離的 “核心區”，隨著圓錐內徑逐漸縮小，螺旋流的旋轉速度進一步提升，離心力增強，推動固相顆粒向壁面運動；
溢流管：貫穿旋流器頂部中心的管狀結構，其插入深度、內徑尺寸直接影響溢流流量和分離效率，通常溢流管下端需伸入圓柱段內一定距離，防止頂部空氣進入破壞內螺旋流；
底流口：位于旋流器底部的窄口，其直徑（俗稱 “底流嘴直徑”）需根據鉆井液流量、固相含量調整，直徑過大易導致清潔鉆井液隨底流排出（“跑漿”），直徑過小則可能造成底流口堵塞，因此部分設備會配備可更換的不同規格底流嘴。
底流篩：又稱 “細目振動篩”，安裝在旋流器底流口正下方，多為單層或雙層的高頻振動篩（振動頻率通常為 1500 - 3000 次 / 分鐘）。其作用是對旋流器排出的底流進行二次過濾，回收底流中夾帶的鉆井液（底流中通常含 10% - 20% 的鉆井液），減少鉆井液損耗；同時可進一步篩除底流中殘留的少量細顆粒，提高固相排出的 “干度”，便于后續巖屑處理（如運輸、填埋）。底流篩的篩網目數通常為 100 - 200 目（對應篩孔尺寸 0.075 - 0.15mm），材質多為不銹鋼編織網或聚氨酯篩網，具備良好的耐磨性和抗堵塞性。
管路系統：包括進料管路、溢流管路和底流管路，是鉆井液輸送的 “通道”。進料管路需配備壓力表（監測進口壓力）、閥門（調節流量）和止回閥（防止鉆井液回流），且管路內壁需光滑，減少流體阻力；溢流管路連接旋流器溢流口與除泥器或鉆井液罐，通常需設置緩沖裝置，避免清潔鉆井液在輸送過程中因沖擊產生二次混合；底流管路則連接旋流器底流口與底流篩，管路角度需合理設計，確保底流能順暢流向底流篩，避免淤積。
支撐與固定結構：通常為鋼結構框架，用于固定水力旋流器、底流篩及管路系統，確保設備在鉆井現場（多為振動、顛簸環境）中穩定運行。框架底部一般配備調節支腳，可根據現場地面平整度調整設備水平度，避免因設備傾斜導致旋流器流場紊亂，影響分離效率。