DE2941855A1

DE2941855A1 - Vorrichtung zum messen der auf einen bohrsatz im betrieb wirkenden spannungen

Info

Publication number: DE2941855A1
Application number: DE19792941855
Authority: DE
Inventors: Robert Desbrandes; Pierre Grolet
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1978-10-19
Filing date: 1979-10-16
Publication date: 1980-04-30
Also published as: IT7926599A0; NO154207C; GB2036341B; CA1128769A; NL187131C; BR7906735A; JPS6221117B2; JPS5598322A; US4294318A; FR2439291A1; NL187131B; IT1165327B; DE2941855C2; MX6216E; NO793338L; FR2439291B1; NO154207B; NL7907657A; GB2036341A

Description

Vorrichtung zum Messen der auf einen Bohrsatz im Betrieb wirkenden Spannungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der auf einen Bohrsatz im Betrieb wirkenden Spannungen, d.h. der Spannungen, die auf die am Boden des Bohrlochs befindliche Anordnung wirken, welche umfaßt: den Bohrmeißel, ggf. den über ihm angeordneten Bodenmotor sowie die Schwerstangen.

Vorrichtungen dieser Art sind bereits bekannt geworden durch die französische Patentschrift 2 041 342 sowie durch die US Patentschrift 3 855 853.

Diese Vorrichtungen umfassen ais Dehnungsmeßstreifen bestehende Meßeinrichtungen, wobei diese Meßeinrichtungen befestigt sind an wenigstens ein elastisch unter dem Einfluß der Spannungen verformbares Organ oder den Probekörper (metallische Buchse relativ geringer Dicke), welche die beiden Leitungen verbindet, die jeweils an einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt des Bohrsatzes bzw. der Bohrgarnitur angeschlossen sind.

Eine fest mit einer der Leitungen verbundene Muffe schützt das verformbare Organ gegen den radialen Druck; Sicherheitseinrichtungen begrenzen die Relativverschiebungen der Leitungen unter dem Einfluß der auf den Bohrsatz ausgeübten Spannungen bzw. Beanspruchungen, um eine Beschädigung oder das Reißen des verformbaren Organs unter dem Einfluß

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eines momentanen Anstiegs der wirkenden Spannungen zu verhindern.

Diese "bekannten Vorrichtungen sind jedoch erheblichen Längsbeanspruchungen aufgrund des hydrostatischen Drucks des Bohrschlamms und aufgrund eines Kolbeneffekts aufgrund von Einschnürung des Strömungsquerschnitts des Bohrfluids (Bodeneffekt) ausgesetzt.

Wenn beispielsweise bei einem Werkzeug mit einem Nenndurchmesser von 9 1/2 Zoll keinerlei Vorkehrungen getroffen werden, um diese Einflüsse zu eliminieren, kann man mit 6oo bar hydrostatischen Drucks eine axiale Kompressionskraft von 7o t auf dem Probekörper erhalten, während es gilt, Kräfte von nur 0-40 t überhaupt zu messen. Auch kann die Kraft aufgrund des Bodeneffekts, wenn ein Differenzialdruck von 200 bar zwischen dem Inneren und Äußeren des Werkzeugs zur Wirkung kommt, eine axiale Zugkraft von 20 t oder eine axiale Kompressionskraft von 20 t erreichen, wenn der äußere Druck den inneren um 200 bar überschreitet.

Die mittels des Probekörpers unter diesen Bedingungen vorgenommenen Messungen müßen um Werte korrigiert werden, die wesentlich größer als der Meßbereich sind. Diese Korrekturen können aber nur dann vorgenommen werden, wenn die Drücke mit Genauigkeit bekannt sind. Wenn nicht, so kann keine brauchbare Messung durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die nicht den Längsspannungen aufgrund des hydrostatischen Drucks und des Bodeneffekts ausgesetzt ist.

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Erreicht wird dies mit den Maßnahmen des Anspruchs 1.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird es also möglich, den Nutzquerschnitt des Probekörpers auf eine Miniraum zu reduzieren, um die maximale Beanspruchung der Meßfühler 'zu erhalten und so eine maximale Sensibilität zu erreichen.

Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig.1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Pig.2 im Teilschnitt eine Variante dieser Ausführungsform und

Fig. 3 eine andere Ausführungsform, die insbesondere für Bohrsätze geringen Durchmessers zweckmäßig sein kann.

In Fig. 1, in der links der obere Teil, rechts der untere Teil der ersten Ausfuhrungsforin der Erfindung gezeigt ist, steht ein. verformbares Organ 1 unter dem Einfluß von an der Bohrleitung zur Wirkung kommenden Beanspruchungen und Spannungen, wobei dieses Organ beispielsweise aus einem metallischen Rohr besteht, von dem wenigstens ein Teil (der Teil 1a in Fig. 1) verminderte Dicke aufweist, derart, daß er unter der Wirkung von Zugbeanspruchungen, Kompressionsbeanspruchungen und/oder Torsionsbeanspruchungen, die auf den Bohrsatz wirken, relativ verformbar ist.

Die Verformungen dieses Organs können mittels Deh-

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nun,^smeßstreifens 2 ermittelt werden, die von an sich bekannter Art sein können und bei denen die ließstreifen beispielsweise parallel zur Achse der Vorrichtung zur Messung der Zug- und Kompressionsbeanspruchungen angeordnet sind und Meßstreifen senkrecht zu den vorhergehenden zum Meßen der Torsionsbeanspruchungen vorgesehen sind. Diese Dehnungsmeßstreifen sind elektrisch bei drei mit elektronischen Schaltungen 4 verbunden, mit denen ebenfalls andere Meßfühler verbunden sind, die andere Parameter am Boden des Bohrlochs messen, beispielsweise der Meßfühler 5» der die Temperatur mißt, sowie die Meßfühler 6a und 6b, die jeweils den Druck außerhalb und innerhalb des Bohrsatzes messen. Die Messungen dieser verschiedenen Meßfühler werden von den Schaltungen 4 an die Oberfläche über mit einem Axialstecker8verbundene Kabel 7 übertragen.

Für den Fall, daß die Bohrleitung eine flexible Leitung ist, in welche Informationsübertragungsleitungen eingebaut sind, läßt sich der Koaxialstecker 8 an wenigstens einen dieser Leiter anschließen.

Die Vorrichtung kann auch verbunden werden mit einer Anordnung, welche in den Bohrschlamm Druckimpulse überträgt oder auch mit irgendeiner anderen Transmissionsanordnung. In diesem Fall verarbeiten die elektronischen Schaltungen die Informationen, um sie mit der Übertrageranordnung kompatibel zu machen.

Die Speisung der elektrischen Kreise 4 mit elektrischer

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Energie kann von Batterien aus geschehen, die am Boden angeordnet sind; aber auch über Leiter, die mit der Obex'fläohe de? Bohrloch-ε verbunden sind. Die Vorrichtung kann aber auch mit Energie, beispielsweise Strom, über die Jbertrageanordnung versorgt werden.

Das verformbare Organ 1 verbindet zwei benachbarte Leitungen 9 und 10, an denen es beispielsweise über Keilbolzen 11 und 12 befestigt int. j'Jine Außenmuffe 14, die über beliebige Einrichtungen fest mit der Leitung 10, beispielsweise über Keilbolzen 15 und Mutter 15a verbunden ist, schützt das verformbare Organ 1 gegen den radialen Außendruck. Die Leitung 9 ist vermittels des Gewindes 9a mit einem unteren Abschnitt des Bohrsatzea; ein Ende Ha der Muffe 14, das fest mit der Leitung verbunden ist, int über das Gewinde 14c mit einem oberen Abschnitt dieses Bohrsatzes verbunden. Das Bohrfluid kann in den Leitungen 9 und 10 (Pfeil) über Kanäle wie beispielsweise den Kanal 13 innerhalb der Leitung 10 fließen.

Kingdichtungen isolieren den Teil 1a geringer Dicke des verformbaren Organes 1 gegen den Bohrschlainm.

Sicherheitseinrichtungen begrenzen die Amplitude der Relativverschiebung der Leitungen 9 und 10 unter dem Einfluß von auf den Bohrsatz wirkenden Beanspruchungen, um ein Reißen des verformbaren Organs 1 zu vermeiden, was zu ungewollt erhöhten Werten der Beanspruchungen (oberhalb des Meßbereiches) führt.

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Nach den dargestellten Ausfiihrungsbeispielen bestehen diese Einrichtungen aus Rollen 16, 17, die an ein Ende 14b der bluffe 14 befestigt sind und Langlöcher oder Schlitze 16a durchsetzen oder in einen Nut 17a eingreifen, wobei jedes dieser Elemente den sie durchsetzenden Rollen ein Spiel in wenigstens einer Richtung bietet (Langlöcher können kreisförmig sein, wobei ein Durchmesser größer als der der Rollen 16 und 17 ist oder sie können in eina? Richtung oval ausgebildet sein).

Diese Einrichtungen ermöglichen es dem Organ, begrenzte Verformungen in mehreren Richtungen entsprechend den unterschiedlichen Beanspruchungen (Zug, Kompression, Torsion), die auf den Bohrsatz wirken, zu haben.

Ist die für das Organ 1 festgelegte Verformungsgrenze erreicht, so kommt wenigstens eine der Rollen 16, 17 in Anschlag gegen den Rand eines Langloches,dessen Profil entsprechend dem für die Verformung des empfindlichen Elements unter dem Einfluß der Beanspruchungen in jeder Richtung hiervon zulässigen Wert bestimmt worden war.

Beispielsweise legt man diesen Grenzwert mit 40 t für Zugkräfte und mit 1.000 m/kg für auf den Bohrsatz wirkende Torsionsmomente fest, wobei diese Werte selbstverständlich nur größenordnungsmäßig gegeben werden.

Ist der Grenzwert erreicht, so nimmt die Leitung einen Teil der Beanspruchungen auf, die bisher

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das verformbare Organ allein aufnahm. Andere oieherheitseinrichtungen können verwendet werden, um mit begrenztem Spiel das verforrabare Organ 1 uit der Leitung 9 zu verbinden, beispielsweise mittels komplementärer fiechteekgewinde, die untereinander ein gewisses Spiel haben.

Nach den verschiedenen dargestellten Ausführungsformen v/eist die Leitung 9 benachbart dem Ende 18 der Leitung 10 einen ersten zylindrischen Wandteil mit im wesentlichen dem gleichen Außendurchmesser (entsprechend dem Querschnitt 31) wie die Leitung 10 benachbart ihrem Ende 18 (Querschnitt S ο der Leitung 10) auf.

Diese Gleichheit des Querschnitts läßt jede Axialkraft in i'ortfall kommen, die aus dem hydrostatischen auf die benachbarten Enden der Leitungen 9 und 10 der Vorrichtung wirkenden Druck resultieren kann. Der dem atmosphärischen Druck ausgesetzte Raum 1a nämlich, der die elektronischen Schaltungen 4 sowie den Probekörper 1 enthält, besitzt keinerlei dem hydrostatischen Druck ausgesetzten Querschnitt, was ,jeden Kolbeneffekt oder dergleichen eliminiert. Die radialen Schubkräfte werden von den zylindrischen Partien der Bauteile 1, 9, 10 und 14 und die axialen Schubkräfte vom Querschnitt in Höhe der liutter 15a oben und von der Rijgwandung 20 unten, die sämtlich fest mit dem Bauteil 14 sind, aufgenommen. Im übrigen wird durch die Vorrichtung nach der Erfindung der Einfluß auf die Messungen des Organs durch die unvermeidliche Strömungsquerschnittsverminderung am unteren Ende des Bohrsatzes, mit dem der Bohrmeißel und ggf. ein ihn

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antreibender Bodenmotor verbunden ist, unterdrückt; wobei diese Querschnittsvenainderung sich gewöhnlich (aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem inneren land dem äußeren des Bohrsatzes) als axialer nach unten gerichteter Schub darstellt, den die Erfindung durch die unten beschriebene Anordnung kompensiert.

Die Muffe 14 bildet mit der Leitung 9 die seitlichen Wandungen eines Ringra\mes, der durch zwei ringförmige Elemente 20 und 21 begrenzt ist, welche die Endwandungen dieses R¹" ngraumerj bilden.

Eines dieser Elemente, das Element 20, befindet sich in Höhe des ersten zylindrischen Teils 19 der Leitung 9 und das andere Element, das Element 21, befindet sich in Höhe eines zweiten leils der zylindrischen Wandung 2? vom Querschnitt 32 der Leitung 9. Das ningelement 20 ist bei 23 an de"" Huffe 14 befestigt und ermöglicht die Verschiebung dee ersten Teils der Außenvfu.'dung 19 der Leitung 9.

Das Ringelement 21 ist an der Huffe 14 vermittele de« Gewindes 24 befestigt und ermöglicht die Verschiebung des zweiten Teils der Außenv/andu.ng 22 der Leitung 9.

Nach der in Pig. 1 dargestellten Ausführungsform int der Ringraum zwischen den Elementen 20 und 21 durch den Eingkolben 25 in eine erste Kingkammer 26, die mit der Umgebung außerhalb des Bohrsatzes über wenigstens eine öffnung 27 in Verbindung steht, und in eine zweite Ringkarnmer 28 in Verbindung mit dem Inneren des Bohrsatzes über wenigstens eine

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Öffnung 29 unterteilt.

Nach dem Beispiel der Fig. 1 ist der Ringkolben 25 mit der Leitung 9 über das Gewinde25a verbunden und kann nicht im Inneren der Muffe 14 gleiten.

Wenn man im übrigen mit S den Innenquerschnitt der Muffe 14 in Höhe des Kolbens 25 bezeichnet, so ist der Bereich si = S - S-| des geraden Wirkquerschnitts der ersten Ringkammer in Höhe des Kolbenkopfes 25 von der Konstruktion her im wesentlichen gleich dem Bereich S2 des geraden Außenquerschnitts des zweiten Teils der zylindrischen Wandung 22 der Leitung 9 und der Bereich S£ = S - S2 des geraden Wirkquerschnitts der zweiten Ringkammer 28 ist so im wesentlichen gleich dem Bereich S1 des geraden Außenquerschnitts des ersten Teils der zylindrischen Wandung 19 der Leitung 9.

Diese Ausbildung hat zur Folge:

1. Fall: Der Druck im Inneren des Bohrsatzes ist größer als der Druck Pe außerhalb dieses Bohrsatzes.

Aufgrund der Verminderung des Querschnitts in der Fluidströmung des unteren Teils des Bohrsatzes aufgrund des Vorhandenseins des Meißels (über dem ggf. ein Bodenmotor sich befindet) wird eine nach unten gerichtete Vertikalkraft vom Wert

(Pi - Pe) χ S₁
an die Leitung 9 gelegt.

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Dieser Kraft wirkt eine nach oben gerichtete den Kolben 25 beaufschlagende Vertikalkraft vom Wert: (Pi - Pe) x S₂ entgegen.

Diese auf die festen Bauteile 9 und 25 gerichteten Kräfte kompensieren sich da S2 * S-j.

2. Fall: Der Druck außerhalb des Bohrsatzes Pe ist größer als der Druck Pi im Inneren diesesBohrsatζes.

Hieraus resultiert eins nach oben gerichtete Vertikalkraft vom Wert

(Pe - Pi) χ S₂, die die Leitung 9 beaufschlagt.

Dieser Kraft wirkt eine nach unten gerichtete Vertikalkraft entgegen, die den Wert

(Pe - Pi) χ S₁ hat,und die den Kolben 25 beaufschlagt.

Diese beiden,gleiche feste Bauteile 9 und 25 beaufschlagenden Kräfte kompensieren sich, da s-| = S₂.

Die Ausbildung der Fig. 2 ermöglicht es also, am verformbaren Organ 1 den Einfluß des

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Differenzdruckes innen und außen am Bohrsatz zu kompensieren. Nach dieser Ausführungsform der Fig. 1 gilt

Fig. 2 zeigt in der Teildarstellung eine Variante dieser Ausführungsform mit einer gewissen Anzahl von Modifikationen.

Zunächst sind die Ringelemente 20 und 21 der vorhergehenden Ausführungsform ersetzt durch Elemente 20a bzw. 21a, die dieses Mal fest mit der Leitung verbunden sind (Gewinde 30 bzw. 31) und die längs der Innenwandung der Muffe 14 gleiten können; die Anordnung der Ringkammern 26 (in Verbindung mit der Umgebung außerhalb des Bohrsatzes) und 28 (in Verbindung mit dem Inneren) ist bezogen auf den Ringkolben 25 umgekehrt. Letzterer ist hier fest mit der Muffe 14 verbunden und ermöglicht das Gleiten der Leitung 9.

Im übrigen ist auf der Seite des Elementes 21a gegenüber der Kammer 26 eine Ringkammer 32 ausgebildet, die Luft bei atmosphärischem Druck enthält, wobei diese Kammer durch einen Ringkolben begrenzt ist, der sie von einer anderen Ringkammer, der Kammer 34, trennt, die über die Öffnung 35 mit der Umgebung außerhalb des Bohrsatzes in Verbindung steht.

Nach der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform setzt man das verformbare Organ 1 dem Einfluß des hydrostatischen Drucks und des Differenzdrucks zwischen dem Inneren und Äußeren des Bohrsatzes aus, in-dem man die Vorrichtung so konstruiert:

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5₁ = S₂

und S₁ χ Pi = S₂ X Pi

52 x Pe = S₁ χ Pe was bedeutet

S₁ = S2 = S₁ = S₂.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, die sich von der der Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die Ringkammern 26 und 28 halbiert bzw. verdoppelt wurden (Ringkammern 26a und 26b) mit wirksamen Ringquerschnitten s-| und s'-|, die mit der äußeren Umgebung des Bohrsatzes in Verbindung stehen sowie Ringkammern 28a und 28b mit wirksamen Ringquerschnitten S2 und s*2 jeweils, die mit dem Inneren des Bohrsatzes in Verbindung stehen.

Die Ringkammern 26a und 28a sind zu beiden Seiten des Kolbens 25 angeordnet und die Ringkammern 26b und 28b sind zu beiden Seiten eines anderen Ringkolbens 36 angeordnet, der zwischen dem Ringkolben 20a und dem Ringelement 21 sich befindet und vermittels des Gewindes 36a mit der Leitung 9 verbunden ist. Ein mit der Muffe H verbundener Kolben 37, der das Gleiten der Leitung 9 ermöglicht, trennt die Kammer 28a von der Kammer 28b.

Nach dieser Ausführungsform erhält man die Kompensation der Effekte des hydrostatischen Drucks und des Differenzdrucks zwischen der innern und äußeren

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Umgebung des Bohrsatzes, indem man die Vorrichtung wie folgt konstruiert:

— S ρ — *^ λ

Diese Ausführungsform kann insbesondere für den Fall von Bohrsätzen geringen Durchmessers interessant werden, da die oben genannte Doppelbedingung dann leichter zu realisieren ist als die beiden Bedingungen S₂ = S₁ und S₁ = S₂,

wie sie für die Ausführungsform der Fig. 1 gelten.

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Leerseite

Claims

i'ivAIIGAIu I)Q ± ETxX Ί, Averain de BoIr-XVeBU 92^02 ilUEIL Vorrichtung zum Hessen der auf einen Bohrsatz im Betrieb wirkenden Spannungen PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Hessen der auf einen Bohrsatz oder eine Bohrausrüstung wirkenden Spannungen, mit Heßein richtungen, die wenigstens einem elastischen zwei benachbarte Leitungen verbindenden Organ zugeordnet sind und die jeweils mit einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt des Bohrsatzes verbunden sind; einer dieses verforinbare Organ gegen den radialen Außendruck schützenden Muffe, dadurch gekennzeichnet,

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K'.ff'ori Vf!v'oi':'i;'':i ■-' nd *nid gü.' rloi' ^v.'p.i.t<"-r '..'andunr¹"

orf.'.t.u (14.) Ί ο i I:-/: t,; da!.' il^i¹ Kolben (--^ir) die "beid"i"i ivi tv i:p-M:iiej'ii trennt-, von dei.pu dia c'no (?C) mit «leiu :,5ii j niu'pvhylb Lc-p Mohrry tzot üuö d _^; ο andere (2H) iiiit .Ir-iü iunt'iiraui.i in Verbi nJun.;": ;:(;eht, wobei die rino;i'ÖT',aif-en ,vi^kquei'nchni tte (6 1 bzw. S 2) diener Kammern zu beiden Je i ten diese.-; kolben» (-":) al:; i'unktion der ' erte (o 1 bzv/. ^j 2) den kleinsten DurchmenfieT's dio°en Ki r'^rsums in Höhe der jeweiligen Endvanduf.f-en (20, 2I) dieses iinumes gewühlt sind, det'a.rt, daß i.m v/esentlichcn jede axiale Bean sprue hu Mf; eliminiert wird, die au? einer Druckdi r.i'^T-etu- swi schon dem Inneren des Bohrsettzes und der äußeren Uni£:ebun_tc^r resultieren kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet durch einen Ringzwischenkolben (25), der zwei IUnpkaininern (26, 28) trennt, wobei der V/irkquerschnitt (s 1 bzw. s 2) jeder der Kammern (26, 28) benachbart dieses Kolbens (25) gleich dem Außen-

chnitt (ο 7. b:<,\\. J1 ) dieser einr jeitn dieses hinträume« bild endeu Leitung (9) ist, und z\-"\v gemessen in Höhe der juiäwr-dung (21 tzv/. '¹C) der hinträumen, der sieh sui" der anderen Je j te d"G Kolbens {25) ,bezogen auf dieoe Kammer (26, 28), befindet.

3. Vorrichtung narli Anspruch 1, ^ e k e η η r, ^rj i ο h η e t durch drei Rin^zv/isehenkolben (25, 37, io), die den Kin^raum in vier Ringkammern (7.Ga, 28a, 26 b, 28b) unterteilen, wobei die beiden z\\ beiden Seiten ein Lind desgleichen hinpkolbens befindlichen Kammern, die eine in Verbi ndunp; mit dem Raum außerha].b, die andere mit deni Raum innerhalb des Bohrsatzes sich befinden, wobei die ouimae (°»1 + s M) der Flachen der Rinpwirkquerschnitte der Kammern (26a, 26b) in Verbindung mit dem Außenraum im wesentlichen gleich dem Bereich (S3) des Außenquerschnitts der Leitung (9), die eine Jeitenwandung dieses hinr.raumes bildet, ist, gemessen in Höhe der Endwandung (21) des Raumes, wodurch eine Ringkammer (28b) in Verbindung mit dem Innenraum begrenzt wird; und daß die Summe (s2 + s2^!) dei i-iliehen der Rrigwirkquerschnitte der Kammern (28a, 28b) in Verbindung mit dem Innenraum im wesentlichen gleich der Fläche (31) des Außenquerschnitts der Leitung (9) ist, gemesoen in Höhe der Endwandung (20) der eine Ringkammer (26a) in Verbindung mit dem Raum außerhalb des Bohrsatzes begrenzenden Kammer.

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