钻井除砂器的工作原理以水力旋流器为核心，结合重力沉降与筛分辅助，具体过程可分为以下 4 个步骤：
高压进料阶段：经振动筛预处理后（已去除粒径＞0.8mm 的岩屑）的钻井液，在钻井液泵的高压输送下（进口压力通常控制在 0.2 - 0.4MPa），通过旋流器的 “切线进料口” 高速进入旋流器内部。由于进料方向与旋流器内壁呈切线角度，钻井液进入后会立即沿器壁形成高速旋转的螺旋流场（转速可达 1000 - 3000r/min），产生强大的离心力（离心加速度可达重力加速度的 100 - 300 倍）。
离心分离阶段：在离心力作用下，钻井液中密度远大于液相（钻井液基液）的砂粒、粗岩屑等固相颗粒，会受到向旋流器内壁的 “甩向力”，随螺旋流沿器壁向下运动，形成 “外螺旋下降流”；而密度较小的清洁钻井液（含细颗粒）则向旋流器中心聚集，形成 “内螺旋上升流”。这一过程中，颗粒粒径越大、密度越高，受到的离心力越强，分离效率也越高，从而实现固、液两相的分离。
固相排出阶段：沿器壁下降的砂粒等固相颗粒，最终汇集至旋流器底部的 “底流口”，以 “底流” 形式排出，通常底流中砂粒含量可达 70% 以上，部分设备会在底流口设置 “底流筛”（细目振动筛），对底流进行二次筛分，回收其中夹带的少量钻井液，进一步提高资源利用率。
液相回收阶段：向旋流器中心聚集的清洁钻井液，沿中心轴向上运动，从旋流器顶部的 “溢流口” 排出，形成 “溢流”。溢流钻井液的固相含量大幅降低（通常砂粒含量＜1%），可直接输送至除泥器进行下一步细颗粒分离，或根据钻井液性能需求部分回流至钻井液罐循环使用，完成 “分离 - 回收 - 循环” 的闭环。