为了提升注空心球变梯度控压钻井中井下分离器的分离效率,并准确掌握井筒压力的分布规律,研制了以球形过滤塞和金属过滤网为核心结构的新型井下过滤分离器,对其总体结构和工作原理进行了阐述;以多孔介质模型对过滤结构进行模拟,并引入欧拉多相流模型对钻井液和空心球混合流体的流动过程进行数值模拟研究,分析了不同注入速度或空心球体积分数对过滤分离器分离效率的影响规律;基于自主研制的变梯度控压钻井室内模拟试验系统,开展了过滤分离器分离效率的敏感性试验,研究了泵排量、空心球体积分数、密度和直径对分离效率的影响;依据数值模拟和室内试验研究所得分离效率,并考虑井筒与地层间能量交换、井筒温度和压力对流体物性参数的影响,建立了深水变梯度控压钻井单相流条件下瞬态井筒温压耦合模型.利用有限差分和高斯赛德尔迭代方法分别对模型进行离散和求解,对不同变梯度参数(如分离器位置、数量、空心球体积分数或密度等)条件下的井筒压力分布规律进行了敏感性分析.研究结果表明:过滤分离器可以显著提升分离效率,最高可以达到98.5％;环空压力在过滤分离器位置处存在明显的拐点,总体呈折线形分布且拐点位置、数量与分离器的位置和数量同步变化;井筒压力与分离器数量、分离器距离井口的深度以及空心球体积分数呈负相关,与空心球密度和排量呈正相关.该研究可以为深水变梯度控压钻井方法的进一步发展提供一定的理论参考.