油田进入高含水期后，长期的注水开发造成地层胶结变差，同时填砂压裂、聚合物驱油和三元复合驱油等新技术的应用，使得产液携砂能力增强，部分油井出砂日益严重，经常出现油层砂埋或抽油泵砂卡的现象。产液含砂已成为影响油田稳产增产的重要问题之一。目前应用的井下旋流除砂器底流口沉浸在井液中，旋流分离和沉降分离相互影响，使水力旋流器的流场分布规律和工作状态发生了改变。此外，井下旋流除砂具有操作介质粘度大、径向工作空间狭小、分流比难以调整等特点，直接将现有固液旋流器结构用于井下除砂，难以获得良好的分离性能，针对此问题，本文开展了井下旋流除砂器的结构设计及分离性能研究。将旋流分离与沉降分离相结合，设计了新型底流封闭的单出口井下旋流除砂结构。该除砂结构将双螺旋片导流和锥段分离相结合，实现了狭小径向空间的螺旋流动，为离心分离提供了对称、稳定的强旋流场。基于欧拉-欧拉方法，将液相与固相处理成相互贯穿的连续介质，引入颗粒动力学模型，计算井下旋流除砂器内固液和固固相间的相互作用，采用RSM混合湍流模型对时均化的两相流连续方程和动量方程进行封闭，对控制方程的离散采用高精度离散格式，实现了对井下旋流除砂器内流特性的数值模拟。通过数值模拟，研究分析了结构参数变化、入口速度变化、产液粘度变化、砂相粒径及浓度变化对除砂器内部流场流动特性及两相介质分离特性的影响，得出了影响规律。优选出最佳除砂器结构参数，确定了除砂器适宜的工作条件和操作参数。根据井下旋流除砂器现场实际应用工况和数值模拟结果，建立了井下旋流除砂器LDV测试和分离性能试验工装，对不同流量下单出口井下旋流除砂器和普通双出口旋流器单相流流场进行了速度测量。将流场测试结果与数值模拟结果相比对，对比结果表明，两者之间虽然存在一定偏差，但整体分布规律基本一致，说明可以用上述建立的数值计算模型对井下旋流除砂器内部流动规律进行数值模拟研究。应用正交试验方法，针对井下旋流除砂器进行了室内分离性能试验研究，在所研究范围内，得到了影响旋流除砂器分离性能的主次因素及关系。在此基础上，分析了物性参数和操作参数变化对除砂器分离性能的影响规律，并对数值模拟和试验结果进行了对比分析。实测与数值模拟的分离效率和压力降变化趋势相似，实测值与数值模拟结果误差均在20%以内，证明所建立的数值模拟方法能够用于井下旋流除砂器分离性能的预测。