双梯度钻井又称为双密度钻井,是一种适用于深水钻井的新型钻井技术。空心球双梯度钻井技术采用轻质空心球注入钻井液,对降低钻井液密度具有独特的优势。空心球双梯度技术要求回收利用空心球以降低钻井成本,本文重点研究采用旋流分离器海面分离回收空心球。首先介绍了空心球双梯度钻井技术原理及相关理论,设计旋流分离器的物理模型并建立旋流场的数学湍流模型,使用计算流体动力学仿真软件对旋流器内部流场进行数值模拟,所得速度场和压力场与采用旋流理论分析分析结果一致。旋流器的几何结构及操作条件与旋流器分离效率密切相关。本文对影响旋流器能耗以及空心球和钻屑分离效率的因素进行参数敏感性分析,确定各因素的影响趋势。通过正交数值模拟实验,在一定的参数范围内对总体设计尺寸进行优化设计,构建了较为理想的几何结构参数模型。空心球水下注入隔水管是实现空心球双梯度钻井的关键技术之一,高浓度的空心球水下注入可以有效降低钻井液密度。通过层次分析法确定备选注入方案的权重系数,对空心球注入方案进行优选,探讨了被选方案的作业技术。对井下随钻旋流分离装备进行概念设计,最后对该模型进行了数值模拟分析。