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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet von Technologien für geologische
Bohrungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
für eine Rohrtour eines geologischen Bohrlochs, eine Rohrtour
eines geologischen Bohrloches, ein Verfahren zum Betreiben einer
geologischen Bohranlage sowie ein Verfahren zum Herstellen einer
Rohrtour für ein geologisches Bohrloch.
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Hintergrund der Erfindung
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Geologische
Bohrungen werden in Verbindung mit verschiedenen Anwendungszwecken
benötigt und hergestellt. Hierzu gehören beispielsweise die
Förderung von Erdöl oder Erdgas. Aber auch im Zusammenhang
mit der Geothermie ist das Herstellen von geologischen Bohrungen
bis in große Tiefen notwendig. In Verbindung mit der Geothermie
geht es darum, in der Erde gespeicherte Energie, soweit sie entzogen
werden kann, zu nutzen.
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Für
die unterschiedlichen Anwendungen bei geologischen Bohrungen, nämlich
insbesondere das Herstellen eines geologischen Bohrloches einerseits und
die sich anschließende Förderung eines Fluids durch
das Bohrloch andererseits, wurden jeweils angepasste Analagen in
Form von Bohr- und von Fördereinrichtungen vorgeschlagen.
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Nach
dem Herstellen eines Bohrloches im Zusammenhang mit einem Ölvorkommen
reicht es bei der anschließenden Förderung von Öl
am Anfang der Ausbeutung des Vorkommens meist aus, den natürlichen
Druck im Ölvorkommen zu nutzen, so dass sich das Öl
von selbst nach oben transportiert. Lässt der natürliche
Druck nach, kann ein so genanntes Gaslift- oder Lufthebe-Verfahren
zum Einsatz kommen, bei dem mittels einer Kompressor-Pumpanlage ein
Gas oder eine Flüssigkeit in das zu fördernde Öl eingebracht
werden, um dessen Transport nach oben zu unterstützen.
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Es
sind verschiedene für das Gaslift- oder Lufthebe-Verfahren
eingerichtete Fördervorrichtungen bekannt. Beispielsweise
ist in dem Dokument
US 3,937,280 eine
so genannte Liftvor richtung zur Ölforderung beschrieben.
Durch einen inneren Hohlraum eines Hohlgestänges wird ein
Gas eingebracht, welches durch Öffnungen in dem den inneren
Hohlraum umgebenden Rohr nach außen tritt, um in die zu
fördernde Flüssigkeit, also insbesondere Öl,
einzutreten und deren Transport nach oben zu unterstützen.
Bei einem dem Gaslift-Verfahren dienenden, pneumatischen System
zur Ölforderung aus dem Dokument
US 6,298,918 B1 wird ein
Gas entlang einer äußeren Oberfläche
eines Förderrohres nach unten transportiert, um in das
durch einen mittleren Hohlraum in dem Förderrohr zu fördernde Öl
einzutreten und dessen Transport nach oben zu unterstützen.
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Aus
dem Dokument
US 4,787,450 ist
die Verwendung des Gaslift-Verfahrens im Zusammenhang mit der Förderung
eines Fluids aus einem geothermischen Vorkommen bekannt. Eine separate Rohrleitung
wird genutzt, um ein inertes Gas in das zu fördernde geothermische
Fluid einzubringen und dessen Förderung zu unterstützen.
Die separate Rohrleitung für das zuzuführende
Gas ist in einer Ausführungsform in einem Zwischenraum
zwischen einem inneren Förderrohr und einem äußeren
Rohr einzementiert.
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Die
vorgenannte Förderung des geothermischen Fluids setzt voraus,
dass zuvor ein geeignetes geologisches Bohrloch erstellt wurde.
Beim Herstellen eines solchen Bohrloches werden geologische Bohranlagen
genutzt, bei denen am unteren Ende des Bohrstranges bzw. -gestänges
ein Bohrwerkzeug montiert ist. Durch einen Hohlraum in dem Bohrstrang
wird eine Spülflüssigkeit zum Bohrwerkzeug geführt,
welche nach Austritt im Bereich des Bohrwerkzeuges auf der Außenseite
des Bohrstranges wieder nach oben transportiert wird. Hierbei werden
mittels der Spülflüssigkeit Bohrspäne
abtransportiert, die mit dem Bohrwerkzeug erzeugt werden. Im Betrieb
der Bohranlage kann ein wesentlicher Teil der Spülflüssigkeit
samt Bohrspäne in geologischen Formationen verloren gehen,
in dem die Spülflüssigkeit in die Erdschichten
eindringt und sich dort ablagert. Auf diese Weise werden einerseits
die Erdschichten, bei denen es sich beispielsweise um Malmkalke
handelt, verstopft. Es ist dann vorgesehen, solche Verstopfungen
mittels Einbringen einer Säure wieder aufzulösen.
Darüber hinaus entsteht aufgrund des Verlustes der Spülflüssigkeit
auch ein ökonomischer Schaden.
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In
dem Dokument
US 6,607,042
B2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines geologischen
Bohrloches beschrieben, bei dem in einer Ausführung in nach
oben transportierte Spülflüssigkeit ein Gas injiziert
wird, um einen Zirkulationsdruck der Spülflüssigkeit
im Bereich des Bohrwerkzeuges zu beeinflussen. Es wurde gefunden,
dass am Boden des Bohrloches der Zirkulationsdruck mittels der Gasinjektion verringert
werden kann. Die Zuführung des Gases erfolgt durch einen
Zwischenraum zwischen einem äußeren Rohr und einem
inneren Rohr, in welchem die Spülflüssigkeit nach
oben transportiert wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, verbesserte Technologien zum Ausbilden eines
geologischen Bohrlochs anzugeben. Insbesondere sollen ein effizienterer
Umgang mit Bohrspülflüssigkeit ermöglicht und
eine Schädigung von erbohrten geologischen Formationen
minimiert oder ganz unterbunden werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
für eine Rohrtour eines geologischen Bohrlochs nach dem
unabhängigen Anspruch 1, eine Rohrtour eines geologischen
Bohrlochs nach dem unabhängigen Anspruch 14, ein Verfahren
zum Betreiben einer geologischen Bohranlage nach dem unabhängigen
Anspruch 15 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Rohrtour für
ein geologisches Bohrloch nach dem unabhängigen Anspruch
16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung für eine
Rohrtour eines geologischen Bohrlochs geschaffen, mit einem Rohrtourelement und
einer außerhalb des Rohrtourelementes angeordneten Fluidzuführleitung,
die sich längs des Rohrtourelementes erstreckt und mit
einer Fluidinjektionseinrichtung an dem Rohrtourelement in Verbindung
steht, über welche ein durch die Fluidzuführleitung
hindurch zugeführtes Fluid in einen Innenraum des Rohrtourelementes
eingebracht werden kann.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Rohrtour eines geologischen
Bohrlochs geschaffen, insbesondere eines Geothermie-Bohrloches,
mit der vorgenannten Vorrichtung, wobei die Vorrichtung wenigstens
teilweise einzementiert ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben
einer geologischen Bohranlage mit der vorgenannten Vorrichtung vor,
wobei das Verfahren die folgenden Schrit te umfasst: Zuführen einer
Betriebsflüssigkeit zu einem an einem Bohrgestänge
montierten Bohrer im Betrieb, Wiederabführen der Betriebsflüssigkeit
von dem Bohrer durch einen Innenraum eines Rohrtourelementes, Zuführen eines
Fluids über eine sich längs und außerhalb
des Rohrtourelementes erstreckende Fluidzuführleitung und
Eindosieren des zugeführten Fluids aus der Fluidzuführleitung über
eine an dem Rohrtourelement gebildete Fluidinjektionseinrichtung
in die im Innenraum des Rohrtourelementes wieder abgeführte
Betriebsflüssigkeit.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
einer Rohrtour für ein geologisches Bohrloch mit der vorgenannten
Vorrichtung, bei dem ein Rohrtourelement einzementiert wird und
beim Einzementieren ein Verpumpungsdruck gemindert wird, indem über
eine sich längs und außerhalb des Rohrtourelementes
erstreckende Fluidzuführleitung ein Fluid zugeführt
und über eine an dem Rohrtourelement gebildete Fluidinjektionseinrichtung
in einen zu zementierenden Raum eindosiert wird. Die Minderung des
Verpumpungsdrucks verringert die Aufbrechgefahr von geologischen
Formationen.
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Mit
Hilfe der Erfindung sind neue Technologien für das Herstellen
eines geologischen Bohrlochs mit einer Rohrtour geschaffen, die
im Vergleich zum Stand der Technik einen effizienteren Umgang mit der
genutzten Bohranlage ermöglichen. Das Einbringen des über
die Fluidzuführleitung zugeführten Fluids in dem
Innenraum des Rohrtourelementes ermöglicht eine gezielte
Beeinflussung der Dichteverhältnisse in der nach oben geförderten
Betriebsflüssigkeit, bei der es sich üblicherweise
um eine so genannte Spül- oder Bohrspülflüssigkeit
handelt. So kann beispielsweise mittels Einbringen eines Gases die
Dichte der Betriebsflüssigkeit vermindert werden. Hierdurch
werden dann beim Herstellen der Bohrung die Druckverhältnisse
in dem Bohrloch eingestellt. Auch im Zusammenhang mit dem Verfahren
zum Herstellen einer Rohrtour ermöglichen das Zuführen und
das Einleiten des Fluids eine Druckregulierung, nämlich
eine Minderung des Verpumpungsdrucks beim Zementieren.
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Das
Vorsehen der Fluidzuführleitung außerhalb des
Rohrtourelementes ermöglicht eine unabhängige
Ausgestaltung und Konfiguration des Innenraumes des Rohrtourelementes
einerseits und der Fluidzuführleitung andererseits. Das
Rohrtourelement kann für den beabsichtigten Zweck optimiert werden,
insbesondere die Rückführung der Betriebsflüssigkeit
sowie die Injektion des Fluids in die rücktransportierte
Betriebsflüssigkeit. Unabhängig hiervon kann die
Fluidzuführleitung ihrem Betriebszweck entsprechend optimiert
werden, nämlich das Zuführen des in die Betriebsflüssigkeit
zu injizierenden Fluids.
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In
einer möglichen Ausführungsform können entlang
des Rohrtourelementes mehrere Fluidinjektionseinrichtungen gebildet
sein. Diese können sich zum Beispiel über den
gesamten Umfang des Rohrtourelementes verteilen. Sind mehrere Fluidinjektionseinrichtungen
an dem Rohrtourelement gebildet, so können diese entweder über
eine Fluidzuführleitung oder über voneinander
getrennte Fluidzuführleitungen oder getrennte Fluidzuführleitungsabschnitte gespeist
werden. Bei dem zugeführten Fluid kann es sich um ein Gas
oder eine Flüssigkeit handeln. Bevorzugt ist die Fluidzuführleitung
in einer Ausgestaltung gasdicht gebildet.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidzuführleitung
als von dem Rohrtourelement getrennt gebildete Rohrleitung ausgeführt
ist, deren Wandung frei von mit einer Wandung des Rohrtourelementes
gemeinsam gebildeten Wandabschnitten ist.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
kann vorgesehen sein, dass die Fluidzuführleitung zumindest
abschnittsweise außen auf dem Rohrtourelement angeordnet
ist. Die Fluidzuführleitung kann vollständig oder
teilweise auf dem Rohrtourelement außen aufliegen. Es kann
eine Kombination von außen auf dem Rohrtourelement aufliegenden
Abschnitten der Fluidzuführleitung und hiervon beabstandet
gehaltenen Fluidzuführleitungsabschnitten vorgesehen sein.
In einer Ausgestaltung können Haltelaschen verwendet werden,
um die Fluidzuführleitung an dem Rohrtourelement zu fixieren. Unabhängig
von dieser Ausgestaltung kann in einer Ausführung vorgesehen
sein, die Fluidzuführleitung an einem Bohrlochkopf fluiddicht
nach außen zu führen.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
die Fluidzuführleitung als eine Hochdruckleitung ausgeführt
ist.
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Bevorzugt
sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Fluidzuführleitung
mit zumindest einem Abschnitt durch ein Verbindungselement geführt
ist, die an dem Rohrtourelement angeordnet und mittels welchem das
Rohrtourelement mit einem weiteren Rohrtourelement verbindbar ist.
In einer Ausführungsform ist das Verbindungselement als eine
Verbindungs muffe ausgeführt, mit der das Rohrtourelement
sowie das weitere Rohrtourelement miteinander verbunden werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass die Fluidinjektionseinrichtung in dem Verbindungselement
gebildet ist. Die Fluidinjektionseinrichtung steht mit einer Öffnung
in der Wandung des Rohrtourelementes in Verbindung, durch welche
hindurch die Injektion des Fluids in den Innenraum des Rohrtourelementes
erfolgt.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass an dem Verbindungselement
eine Revisionsöffnung gebildet ist. Über die Revisionsöffnung ist
beispielsweise ein Zugriff auf die Fluidzuführleitung und/oder
die Injektionseinrichtung ermöglicht. Vorzugsweise ist
die Revisionsöffnung mit einem abnehmbaren Deckel versehen.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Injektionseinrichtung
mit einem Gegenkraftelement gebildet ist, welches konfiguriert ist,
die Injektion des zugeführten Fluids in den Innenraum des
Rohrtourelementes erst beim Überwinden einer von dem Gegenkraftelement
bereitgestellten Gegenkraft zuzulassen. In einem Ausführungsbeispiel
ist die Injektionseinrichtung mit einem Rückschlagventil
gebildet, wobei mit dem elektronischen oder dem mechanischen Rückschlagprinzip
arbeitende Ventile zum Einsatz kommen können. Die eine oder
die mehreren Injektionseinrichtungen verhindern bei dieser Ausgestaltung
auch einen Austritt von Fluid aus dem Inneren des zugeordneten Rohrtourelementes.
Sind über die Länge der Rohrtour mehrere Fluidinjektionseinrichtungen
in verschiedenen Tiefen angeordnet, so kann in der Ausgestaltung
vorgesehen sein, die zu überwindende Gegenkraft nach unten
zunehmend auszuführen. Auf diese Weise erfolgt die Injektion
des Fluids über die verschiedenen Fluidinjektionseinrichtungen
bei zunehmendem Druck Stück für Stück.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
kann vorgesehen sein, dass die von dem Gegenkraftelement bereitgestellte
Gegenkraft einstellbar ist.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
das Rohrtourelement über ein zugeordnetes Verbindungselement
mit einem weiteren Rohrtourelement verbunden ist, wobei sich die Fluidzuführleitung
auch längs des weiteren Rohrtourelementes erstreckt und
mit einer weiteren Fluidinjektionseinrichtung an dem weiteren Rohrtourelement
in Verbin dung steht, über welche das durch die Fluidzuführleitung
hindurch zugeführte Fluid in einen Innenraum des weiteren
Rohrtourelementes eingebracht werden kann.
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Bevorzugt
sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Injektionseinrichtung
und die weitere Injektionseinrichtung an voneinander getrennte Zuführleitungsabschnitte
der Fluidzuführleitung angeschlossen sind, welche konfiguriert
sind, die Injektionseinrichtung und die weitere Injektionseinrichtung individuell
zu speisen. Alternativ können die Injektionseinrichtung
und die weitere Injektionseinrichtung in Reihe angeordnet sein.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass die weitere Injektionseinrichtung mit einem weiteren
Gegenkraftelement gebildet ist, welches konfiguriert ist, die Injektion
des zugeführten Fluids in den Innenraum des weiteren Rohrtourelementes
erst beim Überwinden einer von dem weiteren Gegenkraftelement
bereitgestellten Gegenkraft zuzulassen. In einer Ausführung ist
die weitere Fluidinjektionseinrichtung mit einem Rückschlagventil
gebildet, welches gleich dem oder verschieden zum Rückschlagventil
der Fluidinjektionseinrichtung ausgeführt ist.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die von dem weiteren
Gegenkraftelement bereitgestellte Gegenkraft verschieden ist von der
von dem Gegenkraftelement bereitgestellten Gegenkraft.
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Das
Verfahren zum Betreiben einer geologischen Bohranlage kann einer
der vorangehend genannten Ausgestaltungen der Vorrichtung für
die Rohrtour entsprechend oder gemäß einer Kombination
mehrerer dieser Ausgestaltungen fortgebildet werden.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Rohrtourschemas mit mehreren Rohrtouren
eines geologischen Bohrlochs,
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2 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit drei Rohrtourelementen,
die mit Verbindungsmuffen verbunden sind, und
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3 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit drei Rohrtouren eines
geologischen Bohrlochs, die einzementiert sind.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung ein Rohrtourschema eines geologischen
Bohrlochs. Es sind mehrere Rohrtouren 1, ..., 5,
die jeweils einzementiert sind, mit unterschiedlichen Durchmessern dargestellt.
Oben erfolgt der Abschluss der Rohrtouren 1, ..., 5 mit
Hilfe zugeordneter Flansche, 6, ..., 10. Drei
Rohrtouren 2, 3, 4 sind außenseitig
mit einer jeweiligen Fluidzuführleitung 11, 12, 13 versehen, über die
ein Fluid, insbesondere ein Gas, in den jeweiligen Innenraum der
Rohrtouren 2, 3, 4 eingespeist werden kann,
was in 1 schematisch mittels Pfeilen gezeigt ist. Die
Fluidzuführleitungen 11, 12, 13 sind oben
durch die zugeordneten Flansche hindurch druckdicht nach außen
geführt. Gestrichelte Linien deuten in 1 auf
mögliche Abzweigungen der Fluidzuführleitungen 11, 12, 13 zu
Zwischenventilen (nicht dargestellt) entlang des Rohrtourschemas
an.
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Die
Fluidzuführleitungen 11, 12, 13 können als
Hochdruckleitungen ausgeführt werden, zum Beispiel aus
armiertem Kunststoff, armiertem Gummi oder Metall. Bei der Herstellung
können eine Endlosrohrleitung von der Trommel oder geschraubte,
geflanschte oder verschweißte Einzelrohre zum Einsatz kommen.
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Die
Fluidzuführleitungen 11, 12, 13 werden außen
im Bereich eines Bohrlochkopfes (nicht dargestellt) bevorzugt über
eine Hochdruck-Schnellkupplung, eine Schlagmutter oder einen Flansch
angeschlossen.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung mit Rohrtourelementen 20, 21, 22 einer
Rohrtour, die mit Hilfe von Verbindungsmuffen 23, 24 miteinander
verbunden sind, im Querschnitt. Auf der Außenseite der
Rohrtourelemente 20, 21, 22 sind längs
dieser zwei als Hochdruckleitungen ausgeführte Fluidzuführleitungen 25, 26 angeordnet, über
die ein Fluid, beispielsweise Luft oder ein inertes Gas, Rückschlagventilen 27,
..., 30 zugeführt werden kann, welche in den Verbindungsmuffen 23, 24 angeordnet
sind und als Fluidinjektionseinrichtungen dienen. Über
die Rückschlagventile 27, ..., 30 ist
das zugeführte Fluid in einem Innenraum 31 einbringbar, durch
welchen hindurch im Betrieb Spül- oder Bohrspülflüssigkeit
nach oben strömt. Pfeile deuten in 2 eine Fließweg
des Fluides an.
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Gemäß 2 ist
an den Verbindungsmuffen 23, 24 eine jeweilige
Revisionsöffnung 32 gebildet, die mit einem Deckel
verschlossen ist.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung mit drei Rohrtouren 40, 41, 42 eines geologischen
Bohrlochs, die einzementiert sind.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Rohrtourschemas
mit drei Rohrtouren 40, 41, 42 eines
geologischen Bohrlochs zum Zeitpunkt der Vertiefung des Bohrlochs
aus der Rohrtour 42, mit einem Bohrmeißel, welcher
dem Innendurchmesser der Rohrtour 42 entspricht. Mehrere
Fluidzuführleitungen 43, 44, 45 dienen
dem Zuführen eines Fluids, beispielsweise Luft oder inertes Gas.
Die Zuführung des Fluids ermöglicht es, im Prozess
des Zementierens der Rohrtouren den Verpumpungsdruck beim Zementeinbringen
zu mindern. Das Einbringen des zugeführten Fluids erfolgt über
Fluidinjektionseinrichtungen 46, 47, 48.
Die mehreren Fluidzuführleitungen 43, 44, 45 werden
teilweise nach erfolgter Bohr- und Zementationsarbeiten von bereits
zurückliegenden höheren Bohrlochsektionen wieder
deaktiviert. Die Fluidzuuführleitungen 44, 45 sind
weiterhin aktiv für einen fortschreitenden Bohrfortgang
und der Zementation einer im Fortgang noch zusätzlich einzubringenden
Rohrtour innerhalb der Rohrtour 42.
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Mehrere
Fluidinjektionseinrichtungen, verteilt über eine Rohrtour
und betrieben über eine oder mehrere Fluidzuführleitungen,
ermöglichen bei optimaler Eindosierung von leichten Fluiden
oder Gasen den Spülungsumlauf in einem Bohrloch kurzfristig, auch
bei abgeschraubtem Spülkopf vom Bohrgestänge und
damit angehaltenen Pumpen, aufrecht zu erhalten. Diese Zeit kann
in der Regel ausreichen, um eine Bohrstange nachzusetzen, ohne in
der Zwischenzeit ein Gestängeinneres mit Spülung
manuell auffüllen zu müssen, um so den oft gewünschten kontinuierlichen
Spülungsumlauf in einem Bohrloch während solcher
Stillstandszeiten aufrecht zu erhalten. Hierdurch können
Druckspitzen auf geologischen Formationen, die beim Wiederanfahren
der Spülpumpen nach solch einem Nachsetzvorgang besonders
in tiefen Bohrsektionen entstehen können, weitgehend vermieden
werden.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der
Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 3937280 [0005]
- - US 6298918 B1 [0005]
- - US 4787450 [0006]
- - US 6607042 B2 [0008]