作为分离机械,钻井液离心机的工作性能与分离介质的性质息息相关;而由于内部结构复杂,致使离心机一直面临着理论研究落后,生产应用过程缺乏基础理论及定量研究成果指导的问题;工作原理则注定了离心机“大处理量”、“高分离效率”与“低能耗”之间的矛盾。面对以上问题,本文开展了针对不同流变性流体的钻井液离心机流场研究,通过数值模拟和理论研究相结合的方法,分别对牛顿流体和非牛顿流体在离心机中的流动规律和分离机理进行了探讨,分析了不同参数对离心机内流特性的影响规律,提出了钻井液离心机固相颗粒沉降模型,得到了针对不同流变性流体的钻井液离心机分离效率计算方法。并以大处理量、高分离效率和低能耗为目标,对离心机操作参数进行了优化,并分析了各参数对优化结果的影响。主要的研究内容如下:针对钻井液离心机结构特点,建立了考虑布料口形状、螺旋推料器转速差以及多粒径颗粒固液分离的离心机流场数值模拟分析模型,并通过与实验数据的对比验证了该方法的可行性。分析了转速差对流场各参数的影响规律,为后续分离介质为牛顿流体的离心机流场理论研究提供了分析基础。在充分考虑固、液两相流动特点的基础上,根据钻井液离心机的结构特点和工作原理,提出了涉及初始沉降位置对离心机分离效果影响的钻井液离心机固相颗粒沉降模型。分析了钻井液由不同形状布料口到达转鼓自由液面的流动过程,提出了离心机初始沉降位置计算方法。为针对不同流变性流体的离心机分离性能计算提供了理论基础。推导出不同流动状态下液相周向速度、轴向速度以及固相沉降速度的计算表达式,最终提出了分离介质为牛顿流体时的钻井液离心机捕集效率和分离效率计算方法。该方法揭示了牛顿流体参数、离心机结构参数、操作参数与分离性能之间的关系。针对幂律流体,建立了分离介质为非牛顿流体时的钻井液离心机数值模拟分析模型,并进行了离心机分离实验,以验证该方法的正确性和准确性。对比研究了幂律流体与牛顿流体在离心机中流动特性,分析了速度场、固相体积分布、剪切速率、粘度和湍流强度等在离心机中的分布规律。为介质为幂律流体的离心机转鼓流场理论研究奠定了基础。研究了幂律流体稠度系数和流性指数对离心机内流特性的影响,发现幂律流体稠度系数对离心机流场的影响与牛顿流体粘度对内流特性的影响具有相似的规律,而流性指数对离心机流场的影响充分反映了幂律流体假塑性流型的剪切稀释性。建立了描述钻井液离心机转鼓内幂律流体流动的N-S方程,提出了转鼓内幂律流体速度分布计算方法。分析了幂律流体为介质时转鼓中固相颗粒受力,得到了离心力场中颗粒在幂律流体中的干涉沉降速度表达式。结合钻井液离心机颗粒沉降模型,提出了幂律流体为介质的钻井液离心机捕集效率和分离效率计算方法。该方法首次揭示了幂律流体流变参数、离心机结构参数、操作参数与分离性能之间的关系。分析了离心机转鼓内部流体造成的能量消耗机理,并推导了能耗的无量纲表达式。编制了针对不同流变性流体的钻井液离心机分离性能预测软件。以大处理量、高分离效率和低能耗为目标,编制了钻井液离心机操作参数优化软件。以上两个软件将理论研究和工程实际紧密结合起来,具有较强的实际指导意义。