目前,深水钻井面临着浅层地质灾害、深水低温环境、不稳定海床以及窄安全密度窗口等众多挑战。为解决深水窄安全密度窗口问题,国内外常采用双梯度钻井技术。然而,该技术产生的压力梯度有限,且两梯度线的交点位于海底泥线附近,无法对泥线下部环空压力进行精确控制。因此,随着水深和地层深度的增加,双梯度钻井环空压力将很难匹配窄密度窗口。针对该问题,提出一种适应窄密度窗口更强的多梯度钻井技术。多梯度钻井技术的核心是井下空心球旋流分离器,通过在井下安装多个分离器,即可在泥线下部环空产生多个压力梯度线交点,可实现对环空压力的精确控制,使之更好的匹配地层窄密度窗口。通过分析已有设计的局限性,本文设计了一种轴向空心球旋流分离装置,着重对导流叶片进行设计,提高装置的分离性能。利用数值模拟软件对新型旋流分离器的结构参数:旋流腔长度、溢流管直径、溢流管插入深度、锥角、叶片数量,操作参数:分流比、排量、空心球含量进行优选,结果表明新型旋流分离器的流场更稳定、溢流口压耗更小、空心球分离效果更好。根据优选结果,加工制造出该装置,并建立相关实验平台对其进行测试,主要测定了装置在不同分流比、不同排量、不同空心球浓度和大小下的分离效率。实验结果表明,增大分流比和空心球大小将明显影响分离效率,建议使用30目空心球,分流比采用15%;而增大钻井液排量和空心球浓度对其影响较小。根据实验结果首先证明了装置的可行性,其次为装置的进一步优化提供依据。上述研究对新型旋流分离器的进一步改进以及深水多梯度钻井技术的发展提供理论依据。