CN103547767B - 涡流控制可变流阻装置及其相关工具和方法 - Google Patents

Abstract

一种涡流控制可变流阻装置，该装置用在背压工具中，所述背压工具用于在延伸达到井下操作中推进钻柱。由所述装置产生的压力波的特征由流动路径的涡流腔中的涡流的增长或衰退来控制。所述流动路径包括开关，例如双稳态射流开关，该开关用于翻转所述涡流腔中的流动方向。所述流动路径可以包括多个涡流腔，所述装置可以包括多个流动路径。所述涡流腔的所述出口中的硬化的插入件耐腐蚀。所述装置产生短时间的背压和接近所述钻柱的谐振频率的较慢的频率，从而使得所述钻柱中的轴向运动最大并且加重所述钻头。此外，所述工具产生的流体脉冲加强碎屑从所述钻头前的移除。

Description

涡流控制可变流阻装置及其相关工具和方法

技术领域

本发明通常涉及一种可变阻力装置，更具体地，但并不限制，涉及一种井下工具以及使用这种装置的井下作业。

附图说明

图1是连续油管布置系统的示意图，该连续油管布置系统包括井下工具，该井下工具包括根据本发明的可变阻力装置；

图2是根据本发明的第一实施方式制造的工具的侧视图；

图3是图2中的工具的立体剖视图；

图4是图2中的工具的纵向剖视图；

图5是图2中的工具的射流插入件的放大立体图；

图6是图5中所示的射流插入件的分解立体图；

图7是从相反侧看的图5中所示的射流插入件的分解立体图；

图8是图2中所示的工具的流动路径的放大示意图；

图9是流体流过图8中所示的流动路径的顺序示意图；

图10是根据图2的实施方式设计的工具的背压脉冲波形产生的计算流体动力分析（computational fluid dynamic，简称CFD）；

图11是基于由根据图2的实施方式配置的工具产生的数据的压力波形图。当工具以每分钟1桶运行时产生这种波形；

图12是当工具以每分钟2.5桶运行时图2的工具的压力波形图；

图13是当工具以每分钟大于3桶运行时图2的工具的压力波形图；

图14是根据本发明的第二优选实施方式配置的工具的分解立体图，其中，背压装置可移动地插入工具外壳内；

图15是图14中所示的工具的空外壳的纵向剖视图；

图16是图14中所示的工具显示有插入件在工具外壳内的纵向剖视图；

图17是图14中的工具的插入件脱离外壳的纵向剖视图；

图18是本发明的工具的另外的实施方式的侧视图，其中，插入件包括多个流动路径并且工具最初配置有可移动的塞子；

图19是图18的工具的纵向视图，壳体被除去以示出背压插入件；

图20是图18的工具的纵向视图，壳体和其中一个封板被移除以示出流动路径；

图21是示出具有在适当位置的塞子的工具的图18中的工具的纵向剖视图；

图22是具有在适当位置的塞子的图18的工具的放大的分立的纵向剖视图；

图23是移除塞子的图18中的工具的放大的分立的纵向剖视图；

图24是图18中的工具的插入件的分解立体图；

图25是旋转180度的图18中的工具的插入件的立体图；

图26是另一实施方式的插入件用在根据本发明的工具中的纵向剖视图，在该实施方式中，两个流动路径首尾连接且平行流动布置。

图27是图26中示出的工具的插入件的纵向截面视图；

图28是示出入口槽的图27中的插入件的第一侧的侧视图；

图29是示出出口槽的图27中的插入件的相对侧的侧视图；

图30是本发明的可变阻力装置的另一实施方式的立体图，示出了两个插入件的一半的内侧，两条串联（in-line）的流动路径流体连通以同步运行；

图31是图30中示出的插入件的一半的内侧的侧视图；

图32是本发明的另一实施方式的可变阻力装置的立体图，示出了两件式插入件的一半的内侧，流动路径包括四个涡流腔，流体顺序流过该四个涡流腔，每个腔具有出口；

图33是图32中示出的插入件的一半的内侧的侧视图；

图34A和图34B是流体流过图32中所示的流动路径的顺序示意图；

图35是根据图32的实施方式配置的工具的背压脉冲波形产生的计算流体动力分析；

图36显示本发明的可变阻力装置的另一实施方式的立体图，示出了两件式插入件的一半的内侧，流动路径包括四个涡流腔，流体顺序流过四个涡流腔，只有最后一个腔具有出口；

图37是图36中示出的插入件的一半的内侧的侧视图；

图38是流体流过图36中所示的流动路径的顺序示意图；

图39是根据图36的实施方式配置的工具的背压脉冲波形图产生的计算流体动力分析；

图40是本发明的可变阻力装置的另外的实施方式的立体图，示出两件式插入件的一半的内侧，流动路径与图2中的实施方式相同，但还包括部分地围绕涡流腔中的出口的一对叶片；

图41是图40中所示的插入件的一半的侧视图；

图42是根据图40的实施方式配置的工具的背压脉冲波形图产生的计算流体动力分析；

图43显示本发明的可变阻力装置的另一实施方式的立体图，示出了两件式插入件的一半的内侧，流动路径与图32中的实施方式相同，但还包括部分地围绕在四个涡流腔的每个中的出口的一对叶片；

图44是图43中所示的插入件的一半的侧视图；

图45是根据图43的实施方式配置的工具的背压脉冲波形图产生的计算流体动力分析；

图46显示本发明的可变阻力装置的另一实施方式的立体图，示出了两件式插入件的一半的内侧，流动路径包括两个涡流腔，端部涡流腔通过反馈通道连接于喷射腔，两个涡流腔具有相同的直径并且反馈通道从出口孔向外形成角度；

图47是图46中所示的插入件的一半的侧视图；

图48是根据图46的实施方式配置的工具的背压脉冲波形图产生的计算流体动力分析；

图49显示本发明的可变阻力装置的另一实施方式的立体图，示出了两件式插入件的一半的内侧，流动路径包括三个涡流腔，端部涡流腔通过反馈通道连接于返回环路，以将流体导向喷射腔的正确的一侧，端部涡流腔的直径大于前面两个涡流腔的直径，并且反馈通道从出口孔沿直线向回延伸；

图50是图49中所示的插入件的一半的侧视图；

图51是根据图49的实施方式配置的工具的背压脉冲波形图产生的计算流体动力分析；

图52是与图5至图7中的实施方式相同的射流插入件的一半的内视图，在这种实施方式中，插入件包括设置在涡流腔的出口处的抗腐蚀内衬（erosion-resistant liner）；

图53是沿图2中的线53-53剖切的图52中的内衬的剖视图；

图54是内衬的暴露侧或上侧的立体图；

图55是内衬的仰视图；

图56是沿图55中的线56-56剖切的内衬的剖视图。

具体实施方式

连续油管在现代钻井和完井作业中提供了很多优点。然而，在深井中，尤其是在水平井作业中，当运转连续油管时，钻柱和井壁或套管之间的摩擦力就是问题。这些摩擦力通过钻井孔的偏差、对钻井孔的流体负载以及尤其是在水平井中作用在钻柱上的重力加重这些摩擦力。此外，井中的沙和其它碎屑以及套管的状况会产生以上摩擦力。

即使相对较小的摩擦力也能够引起严重的问题。例如，钻柱上的增大的摩擦力或拉力使钻柱冲击钻头（bit）的重量减小。这种作用力被称作“钻压（weight-on-bit）”或WOB。通常，钻压力通过重力和用面喷射将油管推入井内而获得。在水平井中，能够产生钻压的重力作用力常常可以忽略。这是因为钻柱的重量大部分设置在井的水平段上，在井的水平段上，重力作用力倾向于将钻柱径向加载到套管或钻井孔上，而不是轴向加载到钻出的阻碍物上。

当钻柱被强制推到钻井孔内时，柔性连续油管、钻杆或连接管将弯曲或螺旋，钻柱和套管或井壁之间产生许多接触点。这些接触点使钻柱和钻井孔之间产生摩擦力。通过重力和钻柱弯曲产生的所有摩擦力倾向于减少产生钻压的能力，阻碍钻井进程。在某些情况下，钻柱甚至可以锁闭，使得井底钻具组件（井底钻具组件）难于或不能进一步进入钻井孔中。

各种技术用以缓解由连续油管作业时的摩擦力引起的问题。这些技术包括使用振动工具、碾压工具、抗摩擦化学品以及玻璃粉。例如，旋转阀脉冲工具使用由井下动力钻具（mud motor）驱动的窗口阀件（windowed valve），以间歇性地中断流动，反复地产生和释放工具上的背压。这些工具是有效的，但却是冗长的，对高温和某些化学品敏感，并且修理费用昂贵。

一些抗摩擦工具采用滑块件/阀件/弹簧件的组件，滑块件/阀件/弹簧件振动以相应地流过所述工具。这种动作产生机械锤击和/或流动中断。这些工具机械结构简单并且相对便宜，但常常具有狭窄的操作范围并且在中断流动时不会很有效。

中断流动的工具产生钻柱上的循环流体载荷，从而引起油管反复伸展和收缩。这使得油管上的拉力波动，导致摩擦阻力短暂地减小。从这些工具的钻头端输出的脉动流有助于将钻头端面和环形区域上的碎屑和沙子移除。井底钻具组件（bottom hole assembly，简称井底钻具组件）的端部的这种脉动流产生循环反喷射力，该循环反喷射力提高背压波动的效果。

本发明提供一种可变流阻装置，该可变流阻装置包括流体振荡器。流体振荡器已被用于脉冲工具中，以移除水垢和穿孔隧道清洁（post-perforation tunnel cleaning）。这种流体振荡器使用专业的流体路径和科恩达壁连接效应（Coanda wall attachmenteffect），以使得内部流体喷射在两个出口孔之间交替流动，产生流体脉动。所述装置结构紧凑，坚固耐用。所述装置没有移动件，并且没有温度限制。更进一步的，所述装置也没有弹性件与井中化学品起反应。然而，由于流动中断很小，因此振荡器产生的背压即便有也很小。此外，操作频率非常高，因此振动力是无效的。

本发明的流体振荡装置包括流动路径，与其他类形的背压工具（如上述的旋转阀工具和弹簧/块工具）产生的背压相比，该流动路径提供较大的、低频率的背压。所述流动路径包括涡流腔和反馈控制回路，以减缓压力波的频率，而在同一时间最小化工作周期和最大化背压波的振幅。特别地，这种装置适合于使用在井下工具中，以在钻柱上产生周期性背压和在钻头端产生脉冲流体喷射。虽然这种可变流阻装置具体用作背压装置，但并不局限于本申请。

包括所述可变流阻装置的背压工具在各种井下作业中很有用，在这些井下作业中，摩擦力对井底钻具组件的改进产生消极影响。例如，这种井下作业包括洗涤、清洗、喷射、除垢、酸化和打捞（fishing）。因此，如在此所使用的，“井下作业”指任何作业，在这些作业中，井底钻具组件以任何目的在钻柱的端部推进并且不局限于所述井底钻具组件包括钻头或电机的作业。将变得明显的是，本发明的所述装置具体在钻井作业中很有用。在此使用的“钻孔”使用其最广的意思，以表示挖掘延长无套管钻孔或将井眼中的塞子或其它阻碍物移除，或有套管或无套管钻孔穿过所述井眼中的障碍物。

具有根据本发明的所述可变流阻装置的背压工具可以没有移动件。甚至反转所述涡流腔中的流动的开关可以为射流开关。当暴露在钻井液的氮气中时，没有弹性件在井况恶劣的情况下恶化或降解。因此，本发明的所述装置和所述井下工具是耐用的、可靠的，并且生产相对便宜。

如上所述，本发明的所述可变流阻装置具体用在井下工具中以产生背压，从而水平推进所述钻柱和延伸到达外部环境。这种背压工具可以用在设置在所述钻头的正上方或高于所述井底钻具组件的所述井底钻具组件中。特别地，当所述井底钻具组件包括电机时，所述背压工具可以设置在所述电机的上方或下方。另外，能够使用多个背压工具，多个背压工具能够沿所述钻柱的长度方向间隔设置。

当根据本发明构造时，在引进恒定流速的流体时，所述背压装置提供相对缓慢的背压波动。如果在恒压下引进所述流体，那么在所述工具的下井端将产生脉动输出。典形地，即使当在恒定流速下泵送流体，所述工具的所述钻头端也将产生脉动背压和流体脉冲的结合。原因在于流量供应的轻微波动、所述流体的可压缩性以及所述钻柱的弹性。

还将理解的是，当使用可回收的插入件或可回收的塞子时，在不取回所述钻柱的情况下，本发明的背压工具允许完全通过所述工具主体的路径。例如，这使得有线打捞工具的无限制通道将被卡住的钻头从不可恢复的井底钻具组件中拉出或者甚至将昂贵的电子设备从不可恢复的井底钻具组件中取回。这减少了“埋井（lost in hole）”的费用。

现在参考整个附图，特别是图1，图1中示出一种典形的连续油管布置系统。尽管在连续油管系统的上下文中描述了本发明，但本发明并不局限于此。相反，本发明同样用于连接油管或钻管。因此，正如在此所使用的，“钻管”表示用于支撑和推进任何类形的井下作业中的钻柱的任意系统。这包括连续油管布置系统和用于钻杆和连接管钻柱的井架式钻机。

典形的连续油管钻机通常由参考数字10表示。典形地，所述钻机包括地面设备和所述钻柱。典形地，所述地面设备包括用于分配连续油管14的卷轴机12。所述地面设备还包括拱形导轨或“鹅颈管”16，拱形导轨或“鹅颈管”16引导油管14进入由吊车22支撑在井口20的喷油器18内。吊车22和电源箱24可以支撑在拖车26或其它合适的平台（如滑行装置等）上。流体通过卷轴机中的管道系统和连接器进入连续油管14内，在此用30示意性地表示卷轴机。所述地面设备还可以包括控制室和其它图中未示出的部件。

连接在油管14的下井端的工具的组件形成井底钻具组件32或“BHA”。井底钻具组件32和油管14（或者可选择地，钻管或连接管件）的组件在此表示为钻柱34。钻柱34向下延伸进入井孔36，井孔36可以衬有套管或不衬套管（未示出）。如在此所使用的，不管所述井底钻具组件包括钻头或电机，“钻柱”表示井管道和井底钻具组件。

井底钻具组件32可以包括多种工具，该多种工具包括但不局限于钻头、电机、液压开路（hydraulic disconnect）、回转件（swivels）、振动工具（jarring tool）、背压阀和接头工具。在图1中示出的示例实施方式中，井底钻具组件32包括钻头38，以穿过形成物挖孔或穿过安装在钻井孔36内的塞子40钻孔。井下动力钻具42可以连接在钻头38上方，以驱动钻头旋转。根据本发明，井底钻具组件32还包括背压工具，该背压工具包括本发明的可变流阻装置，下面将详细描述该可变流阻装置。所述背压工具通常表示为50。

如上表明，图1中所示的井底钻具组件中的工具的这种特殊组件不作限制。例如，所述井底钻具组件可以包括电机或钻头，也可以不包括电机或钻头。此外，所述井底钻具组件可以只包括一个工具，例如本发明的所述背压工具。这可以是这种情况，例如，所述井下作业为布置所述钻柱，以处理井下化学品。

现在参考图2-图13，将描述背压脉冲工具50的第一优选实施方式。如见图2至图4所示，优选地，工具50包括管状工具外壳52，该管状工具外壳52可以包括由传统的螺纹连接件58连接的工具主体54和上部接头56。上部接头56和工具主体54的下井端可以螺纹连接于其他工具或井底钻具组件32的部件。在所示的实施方式中，所述上部接头具有箱体端部60（内螺纹），并且主体54的下井端为销轴端62（外螺纹）。

工具50还包括可变流阻装置，在本实施方式中，所述可变流阻装置采用插入件70的形式，流动路径72形成在插入件70内。现在还是参考图5-图7，优选地，插入件70由基本为圆柱形的结构制成，例如金属的固体圆柱。所述圆柱沿纵向剖切为两半形成第一半76和第二半78，在一个或两个相对的内表面80（图7）和内表面82（图6）内铣削或者切割流动路径72。更优选地，流动路径72由两个相等的成形的凹槽形成，在各个相对的内表面80和内表面82中有一个流动路径。

圆柱形插入物70容纳在工具主体54内。最好参见图3和图4，形成在工具主体54的内侧的凹槽接收位于所述凹槽的下端的轴肩84和上部接头56的下井端86之间的插入物。进入上部接头56的流体穿过所述插入件的上井端的槽90和92流入插入件70中并且穿过所述下井端的槽94和96流出所述插入件。

如上表明，在本实施方式中，形成在面80和82内的所述流动路径彼此为镜像。因此，将使用相同的参考标记表示每个所述流动路径的相应的特征。槽90和92与所述流动路径的入口100连通，出口槽90和92与出口102连通。

参考图8将详细描述用于工具50的优选流动路径，现在将注意力直接放在图8上。流体通过入口100进入流动路径72内。然后，流体被导向与出口102连续的涡流腔110。通过已知的方式，切向引入涡流腔110的流体将逐渐形成顺时针方向或逆时针方向的涡流。随着涡流的衰退，流体从出口102流出。

某种开关用以反转所述涡流的方向，并且再次形成和衰退涡流。随着这种建立涡流和衰退涡流的过程的重复，并且假设流速恒定，那么流过流动路径的阻力改变并且在所述装置上产生波动的背压。

在本发明的实施方式中，所述开关（通常用112表示）采取Y形双稳态射流开关的形式。为此，流动路径72包括喷嘴114，喷嘴114将流体从入口100导向喷射腔116内。喷射腔116扩张，并且然后分为两个岔开的输入通道，第一输入通道118和第二输入通道120为Y形的两只腿。

根据正常的流体力学，具体地，根据“科恩达效应（Coanda effect）”，流出喷嘴114的流体流将倾向于粘附或跟随所述腔的一个或其它外壁，从而多数流体进入输入通道118和120中的一个或另一个。流动将在这个通道中继续直到以某种方式移动到喷射腔116的另一侧。

输入通道118和120的端部连接于在涡流腔110外周缘的第一入口孔124和第二入口孔126。第一入口孔124和第二入口孔126设置为沿相对的、正切的路径将流体导入所述涡流腔。通过这种方式，进入第一入口孔124的流体产生顺时针方向的涡流，该涡流通过图8中的虚线“CW”表示。类似地，一旦转移，进入第二入口孔126的流体产生逆时针方向的涡流，该涡流用点画线“CCW”表示。

如图8中所见，第一输入通道118和第二输入通道120中的每个限定流动路径，该流动路径笔直地从喷射腔116到涡流腔110的连续孔124和126。由于需要通道124或126中的流体无动量改变，以完成切向流入涡流腔110，这种笔直的路径增强了流入涡流腔110的效率。此外，这种直接的流动路径减少了所述装置表面的腐蚀效果。

根据本发明，从涡流腔110流出的流体用以将来自喷嘴114的流体从喷射腔116的一侧转移到另一侧。为此，优选地，流动路径72包括反馈控制回路，在此该反馈控制回路通常由参考标记130表示。在所述反馈控制回路的优选方式中，反馈控制回路130包括第一反馈通道132和第二反馈通道134，第一反馈通道132和第二反馈通道134将流体导向喷射腔116中的控制口，如下详细描述。第一反馈通道132从涡流腔110的外周缘处的第一反馈出口136延伸。第二反馈通道134也从涡流腔110的外周缘处的第二反馈出口138延伸。

第一反馈出口136和第二反馈出口138设置为将流体导入涡流腔110外相对的、正切的路径中。因此，当流体以顺时针方向的涡流CW移动时，某些流体将倾向于穿过第二反馈出口138离开进入第二反馈通道134。同样地，当流体以逆时针方向的涡流CCW移动时，某些流体将倾向于穿过第一反馈出口136离开进入第一反馈通道132。

继续参考图8，第一反馈通道132将第一反馈出口136连接于喷射腔116的第一控制口140，并且第二反馈通道134将第二反馈出口138连接于第二控制口142。尽管每个反馈通道能够彼此独立或分开，在所述流体路径的优选实施方式中，反馈通道132和134共享公共的弯曲部146，流体通过公共弯曲部146双向流动。

第一反馈通道132具有单独的直线部148和短连接部150，直线部148将第一反馈出口136连接于弯曲部146，短连接部150将公共的弯曲部146连接于控制口140，直线部148和短连接部150形成为大体为J形的通道。类似地，第二反馈通道134具有单独的直线部152和短连接部154，直线部152将第二反馈出口138连接于公共的弯曲部146，短连接部154将所述弯曲部连接于第二控制口142。

反馈回路130的弯曲部146与连接部150和154一起形成椭圆形的返回环路156，该返回环路156在第一控制口140和第二控制口142之间延伸。可选择地，可以使用两个分离的弯曲部，而共同的双向段146促进整体设计的简化。还将注意的是，返回环路156的直径近似于涡流腔110的直径。这使得反馈通道132和134为直的，促进了经过反馈通道132和134的流动。然而，如下面所描述的，这些尺寸是可以改变的。

如图8中所见，在反馈控制回路130的这种配置中，第一反馈通道132的直线部148的端部和第二反馈通道134的直线部152的端部在公共弯曲部146和各个连接部150和154的连接点连接所述返回环路。这可以有利于包括喷嘴160和162，在每个喷嘴160和162的位置将加快流体流动进入弯曲部146。

将理解的是，各种孔和通道的尺寸、形状和位置可以变化。然而，图8中描述的结构特别的有优势。第一入口孔124和第二入口孔126可以彼此之间成60度到90度。因此，第一入口孔124临近第一反馈出口136，第二入口孔126临近第二反馈出口138。甚至更具体地，第一入口孔124和第二入口孔126以及第一反馈出口136和第二反馈出口138全部约在涡流腔110的外周壁的180段内。

现在将明显的是，从第一输入通道118流入涡流腔110的流体将形成顺时针方向CW的涡流，并且由于涡流的强度峰值，在所述腔的外周缘的流体将被切断，从第二反馈出口138出来进入第二反馈通道134，在第二反馈通道134，流体将通过返回环路156进入第二控制口142。这种流体的交叉喷射将引起从喷嘴114出来的流体转移到喷射腔116的另一侧并且开始粘附于另一侧。这使得流体沿第二输入通道120沿形成逆时针方向CCW涡流的相对的、切向的方向向上流入涡流腔110。

随着这种涡流的建立，某些流体将开始在所述外周缘切断通过第一反馈出口136并且进入第一反馈通道132。随着流体穿过直线部148并且围绕返回环路156，流体将通过第一控制口140进入喷射腔116，将流体切换到相对的壁，也就是，从第二输入通道120返回第一输入通道118。只要保证足够的流速，这个过程会重复。

图9是恒定流量下示出背压调制的通过上述流动路径70展出的循环流动图形的顺序示意图。在第一个图中，流体进入所述入口并且流入上部入口通道。还未形成涡流，并且产生最小或较低的背压。

在第二个图中，顺时针涡流开始形成，并且背压开始上升。在第三个图中，所述涡流正在建立，并且背压持续增大。在第四个图中，强涡流与相对较高的背压一起出现。在第五个图中，所述涡流达到峰值并且产生最大背压。流体开始切入所述下反馈通道。

在第六个图中，所述反馈流体开始作用在从所述喷嘴流出的流体的喷射上，并且流动开始转换到较低的第二输入通道。所述涡流开始衰退并且背压开始减小。在第七个图中，流体的喷射切换到另外的输入通道，并且所述涡流腔产生相反的流动引起所述涡流进一步衰退。在第八个图中，所述顺时针涡流几乎消失，并且背压很低。在第九个图中，所述顺时针涡流消失，导致随着流体通过较低的第二输入通道流入所述涡流腔，使得最低背增大。此时，所述过程反向重复。

图10是描述通过流动路径72的循环操作产生的背压的波形图产生的计算流体动力分析（computational fluid dynamic，简称为CFD）。背压以磅每平方英寸（“psi”）对时间（以秒为单位）作图。这种波形基于以2筒每分（bbl）的恒定受压流速通过具有2.88英寸的外直径和19英寸的补充长度的工具。流体静压假定为1000psi。脉冲幅度约为1400psi，并且脉冲频率约为33Hz。因此，图8的流动路径产生最佳的低频率和有效的振幅。

图11、图12和图13为由根据结合图10的上述说明制作的原形分别以1.0bbl/min、2.5bbl/min和3.0+bbl/min的值进行地面测试产生的波形。这些图表示出所述工具上方的压力与所述工具下方的压力相比较的波动。也就是，图表中的点表示由在所述工具的入口端和出口端的传感器检测的压差。这些波形示出当恒定流动引入所述装置时出现的由循环流阻产生的循环背压。

正如此处示出和描述，图2至图8中的工具50的插入件70永久地安装在外壳52内。在某些应用中，理想的是可以具有在不拆下所述钻柱的情况下移除所述插入物。图14至图17示出这种工具。

工具50A与工具50相似，除了所述插入件可移除。如图14所示，工具50A包括管状外壳200和可移除或可取出的插入件202。管状外壳200（图15中最佳示出）具有在上端或上井口端的箱式连接件204和在下端或下井口端的销连接件206。如最佳见图16，形成在外壳200内的靠近销接端206的两个相间隔的轴肩208和210容纳插入件202的下井端。如图16所示，在外壳200的上井端没有固定结构；穿过所述工具的流体的静压足够防止插入物202向上移动。

如之前的实施方式中的插入件70，插入件202由两半具有形成在相对的内表面的流动路径218的圆柱形金属杆形成。在图17中可以最佳地看出，在本实施方式中，所述两半由螺纹管状连接件222和224在所述上井端和所述下井端固定在一起。上连接件222设置有标准的内部打捞轴颈轮廓226。当然，外部打捞轴颈轮廓将同样适用。

优选地，下连接件224包括密封组件。为此，上连接件224可以包括密封轴228和密封护圈230，该密封护圈230具有卡在密封轴228和密封护圈230之间的密封圈232。轴肩234设置在轴228上，以与外壳200的内轴肩208接合，在固定件228上设置有锥形端或倒角端236，以与所述外壳的内轴肩210接合。

在图14和图17中最清楚地看出，插入件202的上井端限定为圆柱形凹槽240，并且槽242穿过所述凹槽的侧壁形成。类似地，插入件202的下井端限定有圆柱形凹槽242，并且该凹槽的侧壁包括槽244。槽242形成通道，以将来自凹槽240的流体引导到围绕所述插入件的外侧并且回到流动路径218的入口216。同样地，槽244形成流体通道，该流体通道在流动路径218的出口220之间在所述插入件外侧的下面并且回到下井端的凹槽242中。

当根据图14至图17中的实施方式配置时，本发明提供一种背压工具，所述可变流阻装置来自该背压工具，也就是，所述插入件在不将钻柱34（图1）从井孔36中移除的情况下可取回。因为所述插入件包括标准打捞轮廓，所以插入件202能够通过钢丝、钢缆、联接管道或连续油管移除。在插入件202移除的情况下，设置工具50A的外壳200，以“全孔射击（fullbore）”进入所述井底钻具组件和下面的井。此外，插入件202能够根据钻井作业的需要而替换和重新安装。

在每个上述实施方式中，所述可变流阻装置包括单个流动路径。然而，所述装置可以包括多个流动路径，这些流动路径可以布置以连续流动或平行流动。图18至图24中所示为背压脉冲工具的例子，该背压脉冲工具包括多个流动路径，该多个流动路径布置以平行流动，从而增大通过所述工具的最大流速。此外，该工具中的所述插入件通过可取回的塞子的方式可选择地操作。

图18至图20示出工具（用50B表示）的侧视图。工具50包括外壳300，外壳300可以包括工具主体302、上部接头304和下部接头306。如前面的实施方式中，上部接头304的上井端为箱式连接件304，下部接头306的下井端为销连接件。插入件310通过下接头306的上端312和上接头304的下井端314卡在工具外壳300的内侧。薄管状垫片316可以用以将插入件310的上端与上部接头304隔开。

现在还可以参考图24和图25，插入件310设置多个沿周向布置的流动路径。在该优选实施方式中，有四个流动路径320a、320b、320c和320d。然而，所述流动路径的数量可以变化。每个流动路径320a-d的结构可以与图8中所示的相同。

插入件310通常包括细长的管状结构，该管状结构具有上部流动传输部324和下部流动路径部326，上部流动传输部324和下部流动路径部326一起限定中心孔328，中心孔328延长所述插入件的长度。流动传输部324包括侧壁330，侧壁330具有形成在测臂中的流动通道，如细长的槽332。流动传输部324的上端334具有外花键336。流动路径320a-d形成在流动路径部326的外表面，流动路径部326具有形成中心孔328的下部的中心开口。流动路径320a-c的入口340和出口342全部与这中心孔328连续。现在将看到的是，插入物310的结构允许流体流过同样在花键336和槽332之间的中心孔328。

所述插入物还包括封板348a-d（图24），一个封板封住各个流动路径320a-d。因此，进入入口340的流体被迫穿过各个流动路径320a-d并且从出口342流出。

现在具体参考图21-图23，工具50B还包括可取回的塞子350，塞子350防止流过中心孔328并且迫使流体通过流动路径320a-d进入上部接头304。更具体地，塞子350迫使流体穿过槽332在花键336之间流动并且向上穿过入口340。塞子350的优选结构包括上部塞状件352、下部塞状件354和在上部塞状件352和下部塞状件354之间延伸但直径狭窄的连接杆356。

花键上部334的内径和上部塞状件352的外径大小为使得所述上部塞状件密封地容纳在所述上部。类似地，流动路径部326的内径和下部塞状件354的外径选择为使得所述下部塞状件密封地可容纳在所述流动路径部的中心孔部。

因此，下部塞状件354的长度为使得所述下部塞状件不妨碍入口340或出口342中的任何一者。因此，当塞子350容纳在插入件310中时，进入工具50B的流体在外部花键336之间流动穿过侧壁324上的槽332，然后流入各个流动通道320a-d的入口340，之后从流动路径的出口342流出回到中心孔328并且流出所述工具的端部。

工具50B布置在安装有塞子350的井底钻具组件32（图1）中。当需要时，塞子350能够通过采用设置在上部塞状件358的上端的内打捞轮廓358的传统打捞技术移除。在不拆除钻柱34的情况下，塞子350能够重新安装在井下工具50B内。因此，可移除的塞子350允许所述工具选择性地操作。

现在转向图26-图29，将描述本发明的背压工具的另一实施方式。工具50C与工具50A（图14-图17）相同，其中工具50C包括外壳400和可取回的插入件402。工具50C的外壳400和插入件402与实施方式50A的外壳200和插入件202相同，除了所述插入件包括首尾连接布置的两个流动路径404和406。

如图28所示，形成在插入件402的其中一半的外表面上的细长槽410引导流体进入流动路径404的入口412和流动路径406的入口414，槽420引发流体从出口422和424回到工具外壳400的下端。因此，在这实施方式中，即使所述路径首尾连接布置，平行穿过两个流动路径404和406流动。

以相同的方式，插入件可以多设置三个“串联（in-line）”流动路径。可选择地，所述插入件上的外部槽可以配置为提供连续的流动。例如，一个流动路径的出口可以通过槽与下一个相邻的流动路径的入口流体连通。这些和其它变形在本发明的范围内。

图30和图31示出根据本发明的另一实施方式制造的插入件500的一面。本实施方式与先前图26至图29中的实施方式相同，其中，本实施方式采用首尾连接平行流动布置的两个流动通道502和504。然而，在本实施方式中，所述流动路径通过第一内路径通道510和第二内路径通道512流体连通。第一流动路径502的涡流腔514具有第一辅助孔516和第二辅助孔518，第二流动路径504的返回环路520具有第一辅助孔524和第二辅助孔526。两个由内路径通道510和512提供的流动路径502和504之间的流体连接导致所述两个流动路径同步运作。

图32和图33示出本发明的所述可变流阻装置的另一实施方式。在该实施方式中，装置600具有单个流动路径602，流动路径602具有多个相邻的、流体内连接的涡流腔。流动路径602可以通过与先前实施方式相同的方法形成在安装在外壳中的插入件中，即使本实施方式的外壳未示出。

多个涡流腔包括第一涡流腔604、第二涡流腔606、第三涡流腔608以及第四涡流腔或最后的涡流腔610。每个所述涡流腔分别具有出口614、616、618和620。腔604、606、608和610沿直线设置，但这并不是必要的。前面三个腔606、608和610的直径相同，第四和最后的腔610的直径略大。

装置600具有形成在上端626的入口624。当所述插入件在所述外壳内时，进入所述外壳的上井端的流体将直接流入入口624。流出出口614、616、618和620的流体将穿过所述插入件的侧面并且从所述外壳的上井端流出，如先前所述。

装置600还包括用于改变所述涡流在第一涡流腔604中的方向的开关。优选地，所述开关为射流开关。更优选的，所述开关为双稳态射流开关630，该双稳态射流开关630包括喷嘴632、喷射腔634和分叉的入口通道636和638，如上所述。入口624将流体导向喷嘴632。第一入口通道636和第二入口通道638通过第一入口孔642和第二入口孔644流体连接于第一涡流腔604。

装置600还包括与先前的实施方式中的反馈控制回路相同的反馈控制回路650。喷射腔634包括第一控制口652和第二控制口654，第一控制口652和第二控制口654容纳来自于第一反馈控制通道656和第二反馈控制通道658的输入。通道656和658在第一反馈出口660和第二反馈出口662处流体连接于最后的涡流腔610。现在将理解的是，最后的涡流腔610的较大的直径允许反馈通道呈直线并且与所述涡流腔的切向对齐，以促进流入所述反馈回路。

如先前的实施方式中，以第一、顺时针方向流动的流体将倾向于切断并且向下穿过第二反馈通道658，同时以第二、逆时针方向流动的流体将倾向于切断并且向下穿过第一反馈通道656。如先前的实施方式中，通过第一入口孔642进入第一涡流腔604的流体将倾向于形成顺时针涡流，通过第二入口孔644进入所述腔的流体将倾向于形成逆时针涡流。然而，由于流动路径602包括四个相互连通的涡流腔，如以下更加详细描述的，第一涡流腔604中的顺时针涡流产生在第四、最后的涡流腔610中的逆时针涡流。

因此，第一反馈通道或逆时针反馈通道656连接于第一控制口652，以将来自第一入口通道636的流体转换到第二入口通道638，从而将第一腔604中的涡流从顺时针转换为逆时针。类似地，第二反馈通道或顺时针反馈通道658连接于第二控制口654，以将来自第二入口通道638的流体转换到第一入口通道636，从而将第一涡流腔中的涡流从逆时针转换为顺时针。也就是说，在偶数个流体相互连通的涡流腔的情况下，先前实施方式中的所述返回环路不是必须的。

仍参考图32和图33，多个涡流腔604、606、608和610通常引导流体从最后的涡流腔620的入口624顺流而下到出口620。为此，流动路径602包括相邻的腔604、606、608和610中的每个之间的内涡流孔670、672和673。每个内涡流孔670、672和673设置为沿相对的、切向的路径引导将流体从上流涡流腔引出并且进入下流涡流腔。因此，顺时针涡流中的流体将倾向于穿过所述内涡流孔沿第一方向流出，逆时针涡流中的流体将倾向于穿过内涡流孔沿第二的、相反的方向流出。从顺时针涡流流出涡流腔的流体将倾向于形成在相邻的涡流腔中的逆时针涡流，从逆时针涡流中流出的流体将倾向于形成在相邻的涡流腔中的顺时针涡流。

例如，第一涡流腔604和第二涡流腔606之间的内涡流孔670引导来自所述第一涡流腔中的顺时针涡流的流体，以形成所述第二涡流腔中的逆时针涡流。类似地，第二腔606和第三腔608之间的内涡流孔672引导来自所述第二涡流腔中的逆时针涡流的流体，以形成所述第三涡流腔中的顺时针涡流。

最后，第三涡流腔608和第四、最后的涡流腔610之间的内涡流孔674将来自所述第三腔中的顺时针涡流的流体引导进入所述最后的腔中的逆时针涡流。然后，“轻击（flips）”开关630以反转所述喷射腔中的流体并且掀起涡流的反转链，所述反转链从第一腔604中的逆时针涡流开始，到最后的腔610中的逆时针涡流结束。

现在直接参考附图34A和34B，将参考顺序流动调整图详细描述多涡流流动路径600的运作。在1图中，来自所述入口的流体从所述喷嘴喷入所述喷射腔并且通过粘附于所述第二入口通道开始。多数所述流动从所述涡流出口流出，产生高流电阻情况、低流电阻情况。2图中，当使多数从所述内涡流孔流出的流体沿顺时针方向切向重新引入所述第二涡流腔时，逆时针涡流开始形成在所述第一腔中。所述第二涡流腔中的多数流体从所述涡流出口流出。

在3图中，涡流开始形成于第二涡流腔中，穿过所述内涡流孔的流体重新引入所述第三涡流腔内。所述第三涡流腔中的多数流体流出所述腔的涡流出口。

在4图中，所述第三涡流腔中的涡流形成，并且多数流体开始流入所述第四、最后的腔。首先，多数流体流出所述涡流出口。在5图中，所述第四腔中的顺时针涡流继续形成。

此时，见7图，每个所述涡流腔中有垂直的流动，并且流阻显著增长。在8图中，流阻高，所述最后的涡流腔中的反馈出口处的流体开始切断并且开始通过所述第二（低）控制口进入所述喷射腔。9图示出连续的高电阻和在所述控制口处的产生的强度。

由于流体从所述第二入口通道变为所述第一入口通道，见10图，所述第一腔中的涡流开始衰退并且反转，这使得流入所述第一腔的流体增强并且开始减少阻力以流过所述装置。11图示出所述第一涡流的瓦解和所述第一腔中的最低流阻。如12图所示，所述第一入口通道中的高流动引起顺时针涡流开始形成，流阻开始再次增长，并且所述过程通过所述腔沿交替的方向重复。

图35中示出的产生背压波形的计算流体动力分析示出所述四个相互连通的涡流腔的效果。本曲线图基于2.88英寸直径的工具在3bbl/min的恒定流速并且流体静压为1000psi的情况下计算得出。由于流体从一个腔流到下一个腔，因此在具有约25Hz的背压频率的较大的压力波动之间有三个较小的压力峰值。还将注意的是，由于所述三个涡流腔引起的多个小峰值，较大的静压峰值之间的时间被延长。因此，与图10所示的第一实施方式的工作周期相比，工作周期显著较慢。这意味着上述工具产生的平均背压将降低。

图36和图37示出本发明的另一实施方式的装置。这种实施方式（通常用700表示）与图32至图33中的先前的实施方式相同，在这种实施方式中，流动路径702包括四个相邻的、流体相互连接的涡流通道704、706、708和710、双稳态射流开关720以及反馈控制回路730。然而，在这种实施方式中，在第一腔704、第二腔706和第三腔708中没有涡流出口。相反的，所有的流体必须通过最后的、第四涡流腔710的涡流出口740从所述装置中流出。圆柱形的岛状区750、752、654设置在第一涡流腔704、第二涡流腔706和第三涡流腔708的中心，以形成穿过所述腔的流动，从而流体沿相对的、切向的方向流出并流入所述下游腔。

将参考附图38的顺序流动调制图描述多涡流流动路径700的运作。1图示出连接于所述第一（上部）入口通道并且以弯曲的形状穿过所述三个涡流腔的喷射流体，该喷射流体绕所述中心岛状区演习。由于所述第四腔没有涡流形成，因此有较低的流阻。2图中，涡流在所述第四腔生成并且流阻增大。

在3图中，所述涡流较强，并且流阻较高。在4图中，所述涡流为提供最大流阻的最大强度。被迫进入所述反馈控制通道的流体开始将流体转换到喷射腔中。5图中，所述喷射换向到第二（下部）入口通道，并且所述涡流开始衰退。6图中，所述第四腔中的涡流紊乱，并且流阻为最低。

图39示出由根据图36和图37制造的装置产生的背压波形产生的计算流体动力分析。这种波形示出，缺少所述三个涡流腔中的涡流出口消除了所述背压中的中间波动，所述背压由图32至图35中的实施方式产生。然而，所述较大的背压波动的频率（约为77Hz）仍有利地变缓。

现在参考图40和图41，图40和图41也为本发明的另一种实施方式的装置。装置800示出用于外壳（未示出）的插入件。流动路径802与图2至图8中的实施方式的所述流动路径相同。因此，流动路径802通过入口804开始并且包括射流开关806、涡流腔808和反馈控制回路810。然而，在这种实施方式中，一个或更多叶片设置在所述涡流出口812处，并且出口稍大。

优选地，多个叶片包括第一叶片816和第二叶片818，更优选地，这些叶片完全相同地形成并且设置在出口812的相对侧。然而，所述叶片的数量、形状和位置可以改变。叶片816和818部分阻塞出口812并且用于减慢流体从所述腔中的流出。这实质上降低了转换频率，如图42中波形所示。与图10中33Hz的压力波相比，这种实施方式的频率计算约为8Hz。因此，所述叶片和所述更大的出口的增加降低了所述频率而同时保持相同的波形。

上述的图32和图33中的实施方式具有四个涡流腔，每个涡流腔具有涡流出口。图43和图44示出与每个出口上增加的叶片相同的设计。所述装置（通常用900表示）的流动路径902包括入口904、射流开关906、四个涡流腔910、912、914和916以及反馈控制回路920。每个腔910、912、914和916各自具有出口924、926、928和930。每个出口924、926、928和930具有各自的叶片932和934、936和938、940和942以及944和946。

图45中示出的波形与图35中示出的波形相比揭示出所述涡流出口的叶片的增加怎样改变所述波形。特别的，具有所述叶片的所述流动路径具有所述较大的背压峰值之间的三个较小峰值，但该三个较小峰值的振幅的尺寸逐渐降低。

图46和47示出本发明的另一实施方式的装置。这种实施方式（用1000表示）与图32和图33中所示的实施方式相同，除了该实施方式中只有两个涡流腔。在此应该注意的是，尽管本公开文本示出并且描述了具有两个涡流腔和四个涡流腔的流动路径，但可以使用偶数个的涡流腔。

流动路径1002从入口1004开始并且包括射流开关1006、第一涡流腔1008、第二涡流腔1010以及反馈控制回路1012。如先前所述，由于所述涡流在所述第二或最后的涡流腔1010中反转，因此所示第一实施方式的所述返回环路被去除。

在这种结构中，最后的涡流腔1010的直径与第一涡流腔1008的直径相同。反馈控制通道1016和1018变为包括分叉成角度的部分1020和1022，部分1020和1022绕第一涡流腔1008的外缘延伸。

如图48中所见的波形，附加的涡流腔在每个循环中提供较长的低电阻周期。单个振幅代表第一涡流腔1008中的涡流的衰退。循环频率约为59Hz，并且与图10中的波形相比，一个附加的涡流腔提供降低工作周期的较大峰值之间的较小峰值。连接于所述反馈控制回路的所述最后的（第二）涡流腔导致稍微增长的频率。

本发明的所述装置的流动路径可以使用奇数个涡流腔。这种装置的一个例子见图49和图50。装置1100包括具有入口1104的流动路径1102、开关1106以及三个涡流腔1110、1112和1114。在此应该注意的是，虽然本公开文本示出并且描述了具有一个和单个涡流腔的流动路径，但可以使用任意奇数个涡流腔。

每个所述涡流腔分别具有涡流出口1118、1120和1122。最后的涡流腔1122的直径稍微大于前两个腔1118和1120的直径，因此反馈通道1126和1128沿所述腔的侧直线延伸。

返回环路1130包括在喷射腔1138的相对侧将所述反馈流体引导至控制口1134和1136。本实施方式中的所述返回环路的直径小于最后的涡流腔114的直径。反馈回路1126和1138中向内成角度并且成锥形的部分1140和1142容纳所述减小的直径。

与图10中的单腔流动路径的实施方式的波形相比，图51中示出的波形产生的计算流体动力分析说明了通过所述多个涡流腔减小约9Hz的频率和实现延长的低阻周期（较低的工作周期）。

现在参考图52至图56，将描述本发明的其他特征。图52示出与图5至图7中示出的插入件相同的插入件的其中一半的内侧。插入件70A限定流动路径72，流动路径72包括入口100和出口102。进入所述入口的流体被引导至喷嘴114，喷嘴114迫使流体进入喷射腔116。流体从喷射腔116进入涡流腔110，并且某些流体通过出口102从所述涡流腔流出。

随着时间的推移，穿过出口102的迅速且湍急的流体可以围绕所述出口的表面，并且最终这种腐蚀会影响所述工具的功能。为了减缓这种腐蚀过程，插入件70A设置有耐磨衬垫170。衬垫170可以采用多个形状，但优选地形状为平的或平面环形部或具有中心孔174的盘172，盘172仅稍微小于出口102。更优选的，衬垫170还包括延伸稍微进入入口102的管状部。这种结构保护围绕出口102的所述涡流腔的表面、所述出口孔的外周缘和所述出口本身的至少部分内壁。

衬垫170可以由耐腐蚀材料制成，如碳化钨（tungsten carbide）、碳化硅（silicone carbide）、陶瓷或热处理钢。表面硬化处理（如渗硼、渗氮和渗碳）与表面涂层（如硬铬（hard chrome）、碳化物喷雾、激光硬质合金熔覆等）也可以用以进一步加强所述衬垫的耐腐蚀性。此外，所述衬垫可以由塑料、弹性体、复合材料或其它相对较软的抗腐蚀材料制成。衬垫170的尺寸配置为能够以锡焊、压入配合、螺纹、焊接、胶粘、卡接或其它方式固定在出口102内。根据固定所述衬垫所使用的方法，所述衬垫可以替换。

本发明的可变流阻装置的每个上述实施方式使用用于改变所述涡流腔中的涡流的方向的开关。正如前面所指出的，由于射流开关不引入移动部件和弹性部件，因此射流开关在大多数应用中是优选的。然而，其他类形的开关也可以使用。例如，根据所述装置的预期用途，可以采用电气、液压或弹簧操作阀。

根据本发明的方法，钻柱推进或“跑”入钻孔中。所述钻孔可以有套管或无套管。所述钻柱以常规方式装配和布置，除了本发明的一个或多个工具包括在所述井底钻具组件中并且可能沿钻柱的长度间隔设置。

所述背压工具通过流过所述钻柱的井中流体操作。在此所用的“井中流体”是指通过所述钻柱的任何流体。例如，井中流体包括钻井液和其他循环流体以及注入井中的流体（如压裂液和井处理化学品）。恒定的流速在相对缓慢的频率下会产生有效的高背压波，从而降低了在所述钻柱和所述钻孔之间的摩擦接合。所述工具可以连续地或间歇地操作。

其中，所述工具包括可移动的插入件，所述方法可包括从所述井底钻具组件取回所述装置。其中，所述工具包括可取回的塞子，该塞子可以被取回。留下打开的外壳，流体通过该外壳可以重新用于所述井底钻具组件中其他工具的操作。此外，空壳体允许使用打捞工具和其他设备，以处理卡钻头、钻出塞子、取回电子设备等。

中间操作完成后，流体可以恢复。此外，所述插入件可以重新安装到所述壳体内，以重新使用所述背压工具。此外，所述插入件本身可能变旧或磨损，并可能需要更换。这可以通过使用打捞工具简单地拆卸和更换所述插入件。

在本发明的方法的一个方面，氮气与水或水基井液混合，这种多相流体通过所述钻柱泵送。公知的氮气的使用加快循环流速并且移除在所述钻头上的碎屑。但是，氮降低弹性件，许多井下工具（如上面讨论的旋转阀工具）具有多个这样的弹性件。由于本发明的背压不能激活弹性部件，因此使用氮气是没有问题的。事实上，也可以使用很高的氮率。

通过举例的方式，以3bbl/min的流速，所述井液可以包括每桶井液至少约100SCF（标准立方英尺的天然气）。优选地，所述井液可以包括每桶井液至少约500SCF。更优选地，所述井液可以包括每桶井液至少约1000SCF。最优选的是，所述井液可以包括每桶井液至少约5000SCF。

因此，根据本发明的方法，井下作业可以使用含氮量极高的多相流体。除了加速循环流动，井液中较高的氮含量使得所述工具更活跃，也就是说，氮提高了振动力。使操作员能够推进钻柱进入所述钻孔比其他可能的更远的距离。

上面示例性地示出和描述实施方式。在本领域中经常发现许多细节，因此，很多这样的细节均未示出并且也不描述。并不是说所描述和示出的所有的细节、部件、元件或步骤是在此发明的。虽然在附图和附带的文字中已描述了本发明的许多特征和优点，但描述仅是说明性的。在细节上可以作出变化，特别是在本发明的原理范围内的部件的形状、尺寸和布置的改变到所述术语广义表示的最大程度。此处具体实施方式的描述和附图并不用于限定本专利，而是提供如何使用和制造本发明的示例。

Claims (31)

1.一种可变流阻装置，该可变流阻装置包括：

Y形双稳态射流开关，该Y形双稳态射流开关具有控制口；

涡流腔；以及

反馈控制回路；

其中，所述Y形双稳态射流开关交替地沿两个分叉的输入通道输出流体到所述涡流腔中，所述两个分叉的输入通道从所述Y形双稳态射流开关延伸至所述涡流腔，其中每个输入通道沿其全部的长度都是笔直的，并且其中，每个输入通道配置为引导流体切线地流入所述涡流腔，以产生交替的顺时针涡流和逆时针涡流，并且

其中，所述反馈控制回路将来自所述涡流腔中的顺时针涡流和逆时针涡流的流体交替地输送至所述Y形双稳态射流开关的控制口以交替所述涡流腔中涡流流动的方向。

2.一种背压工具，该背压工具包括权利要求1所述的装置。

3.一种井底钻具组件，该井底钻具组件包括权利要求2所述的工具。

4.一种钻柱，该钻柱包括权利要求3所述的井底钻具组件。

5.一种钻机，该钻机包括权利要求4所述的钻柱。

6.一种可变流阻装置，该可变流阻装置限定至少一个流动路径，该流动路径包括：

入口和出口；

喷射腔，该喷射腔具有第一控制口和第二控制口；

喷嘴，该喷嘴将来自所述入口的流体引导至所述喷射腔内；

第一输入通道和第二输入通道，该第一输入通道和第二输入通道从所述喷射腔分叉；

涡流腔，该涡流腔与所述出口连续，并且所述涡流腔具有第一入口孔、第二入口孔、第一反馈出口和第二反馈出口，其中，所述涡流腔的所述第一入口孔和所述第二入口孔设置为沿相对的、切向的路径引导流体进入所述涡流腔，从而进入所述第一入口孔的流体产生顺时针涡流，并且进入所述第二入口孔的流体产生逆时针涡流，其中，所述涡流腔的所述第一反馈出口和所述第二反馈出口设置为沿相对的、切向的路径引导流体流出所述涡流腔，从而顺时针涡流中的流体将倾向于通过所述第二反馈出口流出，并且逆时针涡流中的流体将倾向于通过所述第一反馈出口流出；

其中，所述涡流腔的所述第一入口孔和所述第二入口孔与所述第一输入通道和所述第二输入通道连续，其中，所述第一输入通道和所述第二输入通道中的每个限定从所述喷射腔分别到所述涡流腔的所述第一入口孔和所述第二入口孔的直线流动路径；

第一反馈通道，该第一反馈通道从所述涡流腔的所述第一反馈出口延伸至所述喷射腔中的所述第一控制口；以及

第二反馈通道，该第二反馈通道从所述涡流腔的所述第二反馈出口延伸至所述喷射腔中的所述第二控制口；

因此，来自穿过所述第一反馈通道流向所述第一控制口的逆时针涡流的流体将倾向于将来自所述第二输入通道的流体流转换至所述第一输入通道，来自穿过所述第二反馈通道流向所述第二控制口的顺时针涡流的流体将倾向于将来自所述第一输入通道的流体流转换至所述第二输入通道。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述涡流腔中的所述第一入口孔临近所述第一反馈出口，其中，所述第二入口孔临近所述第二反馈出口。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一入口孔、所述第二入口孔、所述第一反馈出口和所述第二反馈出口全部在所述涡流腔的外周缘的180度段范围内。

9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一入口孔、所述第二入口孔、所述第一反馈出口和所述第二反馈出口全部在所述涡流腔的外周缘的180度段范围内。

10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述涡流腔中的所述第一入口孔和所述第二入口孔相隔60度到90度。

11.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一反馈通道和所述第二反馈通道中的每个包括直线部和弯曲部，所述直线部分别从所述第一反馈出口和所述第二反馈出口延伸，所述弯曲部将所述直线部分别连接于所述第一控制口和所述第二控制口。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第一反馈通道的所述弯曲部和所述第二反馈通道的所述弯曲部共享公共部，流体流穿过所述公共部双向流动。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一反馈通道的所述弯曲部和所述第二反馈通道的所述弯曲部一起形成返回环路，该返回环路在所述第一控制口和所述第二控制口之间延伸，所述公共部形成所述返回环路的一部分。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述返回环路还包括第一连接部和第二连接部，该第一连接部和第二连接部将所述公共部分别连接于所述第一控制口和所述第二控制口。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第一反馈通道和所述第二反馈通道中的每个的所述直线部在连接点连接于所述返回环路，所述连接点位于所述第一连接部和所述第二连接部中的每个与所述公共部之间。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述第一反馈通道和所述第二反馈通道均包括位于所述连接点的喷嘴，所述连接点位于所述返回环路的所述第一连接部和所述第二连接部与所述公共部之间，其中，每个所述喷嘴配置为引导流体进入所述公共部。

17.一种井下工具，该井下工具包括权利要求6所述的装置。

18.根据权利要求17所述的井下工具，其中，所述装置不可取回地安装在所述工具中。

19.根据权利要求18所述的井下工具，其中，所述工具包括工具外壳，并且所述装置包括限制在所述工具外壳内的插入件。

20.根据权利要求19所述的井下工具，其中，所述工具外壳包括工具主体和顶部接头。

21.根据权利要求20所述的井下工具，其中，所述插入件包括单流动路径。

22.根据权利要求19所述的井下工具，其中，所述插入件包括圆柱形结构，该圆柱形结构纵向分裂成具有相对的内表面的两半，其中，所述流动路径限定在所述相对的内表面中的至少一个中。

23.根据权利要求22所述的井下工具，其中，所述流动路径由所述两个相对的内表面中的每个部分地限定。

24.根据权利要求17所述的井下工具，其中，所述工具包括工具外壳，其中，所述装置包括限制在所述工具外壳内的插入件，其中，所述工具还包括可取回的塞子，该塞子使流过所述插入件中的所述流动路径的流体转向。

25.根据权利要求17所述的井下工具，其中，所述工具包括工具外壳，所述装置包括限制在所述工具外壳内的插入件，其中，所述插入件包括圆柱形结构，该圆柱形结构纵向分裂成具有相对的内表面的两半，其中，所述流动路径限定在所述相对的内表面中的至少一个中。

26.根据权利要求25所述的井下工具，其中，所述流动路径由所述两个相对的内表面中的每个部分地限定。

27.根据权利要求26所述的井下工具，其中，所述插入件能够从所述工具外壳取回。

28.一种井底钻具组件，该井底钻具组件包括权利要求17所述的工具。

29.一种钻柱，该钻柱包括权利要求28所述的井底钻具组件。

30.一种钻机，该钻机包括权利要求29所述的钻柱。

31.根据权利要求6所述的装置，该装置还包括在所述涡流腔中围绕所述出口的耐磨衬垫。