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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Bohrstrangelement und im Besonderen
ein Bohrstrangelement, das so angeordnet ist, dass es unterschiedlich
auftretendes bzw. differentielles Haften in einem Bohrloch reduziert
oder verhindert.
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Aus
dem Paper SPE22549 der Society of Petroleum Engineers, „Differential
Sticking Laboratory Tests Can Improve Mud Design" von M. Bushnell-Watson und S.S. Panesar,
präsentiert
im Rahmen der 66. Annual Conference and Exhibition of the Society
of Petroleum Engineers in Dallas, Texas, USA, vom 6. bis 9. Oktober
1991, ist es bekannt, dass ein differentielles Haften auftritt,
wenn ein Bohrgestänge
oder eine Bohrausrüstung
in Schlammfilterkuchen eingebettet wird, und wenn das Bohrgestänge oder
die Filterausrüstung
durch den Schlammübergewichtsdruck
gehalten wird. Wenn ein Haften erst einmal aufgetreten ist, ist
eine große
Kraft erforderlich, um das Bohrgestänge zu befreien, selbst nachdem
das Schlammübergewicht
entfernt worden ist. Derartiges Haften verursacht stundenlange Versuche
mittels der Bohrausrüstung
das Bohrgestänge
zu befreien. In schweren Fällen
kann das Bohrgestänge
nicht befreit werden, und das Bohrloch muss umgangen oder aufgegeben
werden. In der Offenbarung wird ein Laborverfahren zum Befreien
unterschiedlich bzw. differentiell festgesetzter Gestänge durch
Abscherung offenbart, und wobei Änderungen
in Bezug auf die Schlammzusammensetzung vorgeschlagen werden. Gemäß der Offenbarung
in dem Paper SPE14244 der Society of Petroleum Engineers, „A New
Approach to Differential Sticking" von J.M. Courteille und C. Zurdo, präsentiert
im Rahmen der 60. Annual Conference and Exhibition of the Society
of Petroleum Engineers in Las Vegas, Nevada, USA, vom 22. bis 25.
September 1991, weist differentielles bzw. unterschiedliches Haften
ein hohes Risiko für
ein Auftreten in ungeraden bzw. krummen Bohrlöchern auf, und wobei in dem
Papier das Aufzeichnen des Drucks an unterschiedlichen Stellen der
Gestänge/Kuchen-
und Kuchen/Formations-Schnittstellen
in einer Laborvorrichtung beschrieben wird. Zum Beispiel aus dem
U.S. Patent US-A-4.811.800 ist es ferner bekannt, ein flexibles Bohrstrangelement
zur Verwendung zum direktionalen Bohren herzustellen, wobei das
Element eine spiralförmige äußere Oberfläche aufweist,
um das Element bei seitlichen Biegungen in Bohrlöchern flexibler zu machen.
Ein derartiges Element wird aus einem Stahlrohr gebildet, dessen äußere Oberfläche so bearbeitet
wird, dass sie eine Spirale bildet. Die Wanddicke ist somit unterschiedlich.
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Das
U.S. Patent US-A-6.012.744 offenbart ein Schwergewicht-Bohrgestänge, das
ebenso röhrenförmige Elemente
aufweist, mit spiralförmige
ausgebildeten äußeren Oberflächen, und
wobei die spiralförmige
ausgebildeten Elemente gemäß den Lehren
dieser Erfindung die Wahrscheinlichkeit reduzieren, dass eine differentielle
Druckhaftung des Gestänges
auftritt, wenn das Gestänge
in einem Großwinkel-
oder horizontalen Bohrloch eingesetzt wird.
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Die
Kräfte,
die beim Auftreten von differentiellem Haften gegeben sind, sind
im Wesentlichen proportional zu der Fläche bzw. dem Bereich eines Bohrstrangelements,
das in dem Filterkuchen eingebettet ist. Für den Fachmann auf dem Gebiet
ist es verständlich,
dass der Filterkuchen an der Bohrlochwand gebildet wird, wenn durch
durchlässige
Formationen gebohrt wird. Eine Reduzierung der Berührungs-
bzw. Kontaktfläche
zwischen dem Filterkuchen und dem Bohrstrangelement ist somit ein Hauptziel
der spiral ausgebildeten äußeren Oberfläche des
in dem U.S. Patent US-A-6.012.744 offenbarten Elements.
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Unter
Verwendung einer Spiralenformation mit rechtsdrehendem Gewinde in
einem Großwinkelloch
kann Verschnitt in den Hauptstrom von strömendem Schlamm gehoben bzw.
angehoben werden, und derartige rechtsdrehende Spiralenkonstruktionen
erhöhen
die effektive Last an der Bohrkrone, indem der Bohrstrang in Richtung
des Kronenendes „geschraubt" wird, während Verschnitt,
der nicht in den Hauptstromschlamm angehoben worden ist, entlang
der langen Seite des Lochs wie bei einer archimedischen Wasserschraubenpumpe
nach oben geschoben bzw. gedrückt
wird.
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Derartige
spiralförmig
ausgebildete Elemente gemäß dem Stand
der Technik weisen innere Querschnitte auf, die zylindrisch sind,
und mit einer äußeren Oberfläche mit
unterschiedlichem bzw. variierendem Durchmesser, die entlang der
Längsachse des
Bohrstrangs unterschiedlich ausfallen. Das Fertigungsverfahren für Bohrstrangelemente
wie etwa Bohrgestänge,
Zwischengewicht-Bohrstrangelemente
und Schwergewicht-Bohrgestänge
sowie Gestängemanschetten
mit einem nicht kreisförmigen
Querschnitt über
zumindest einen Teil ihrer axialen Länge, setzen die kostspielige
und zeitaufwändige
externe Entfernung von Metall durch Fräsen voraus. Darüber hinaus
kann auch letztlich das Bohren eines langen, zylindrischen Bohrlochs
erforderlich sein, wenn für die
Herstellung der vorstehend genannten Vorrichtungen ein anfangs festes
bzw. solides Stangenmaterial verwendet wird.
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Das
U.S. Patent US-A-2.246.418-A offenbart ein Bohrstrangelement, das
einen spiralförmig
ausgebildeten zentralen Abschnitt umfasst, mit einer im Wesentlichen
konstanten Wanddicke. Das Element kann hergestellt werden, indem
ein zylindrisches, röhrenförmiges Element
durch ein Walzwerk geführt wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bohrstrangelement mit einer
externen bzw. äußeren Oberfläche mit
variierenden Durchmessern bereitzustellen, das sich leichter herstellen
lässt.
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Vorgesehen
ist gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Bohrstrangelement gemäß einem
der gegenständlichen
Ansprüche
1 bis 14.
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Vorgesehen
ist gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Einsatz eines Bohrstrangelements
gemäß dem gegenständlichen Anspruch
15.
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Vorgesehen
ist gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Gestalten
eines Bohrstrangelements gemäß dem gegenständlichen
Anspruch 16.
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Das
Bohrstrangelement gemäß der vorliegenden
Erfindung verbessert den Transport bzw. das Fördern von Verschnitt aus den
Tiefen mindestens eines Großwinkel-
oder horizontalen Bohrlochs, speziell bei einer Ausbildung in einer
spiralförmigen
Konfiguration.
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Die
Erfindung wird nachstehend beispielhaft in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
transversalen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Bildung eines
Bohrstrangelements in einem ersten Bildungsschritt, wobei dies nicht
beansprucht wird;
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2 einen
weiteren Schritt zur Bildung des Bohrstrangelements aus 1;
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3 einen
weiteren Schritt zur Bildung des Bohrstrangelements aus den Abbildungen
der 1 und 2;
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4 eine
Querschnittsansicht eines gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildeten Bohrstrangelements;
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5 einen
transversalen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Bildung eines
Bohrstrangelements gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem ersten Bildungsschritt;
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6 einen
weiteren Schritt zur Bildung des Bohrstrangelements unter Verwendung
der Vorrichtung aus 5;
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7 eine
Seitenansicht einer Mehrzahl von Bohrstrangelementen, die jeweils
gemäß der vorliegenden
Erfindung an Ort und Stelle in einem Bohrstrang angebracht werden;
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8 eine
Seitenansicht eines weiteren Bohrstrangelements, das gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet ist;
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9 ein
weiteres Bohrstrangelement, das gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet ist; und
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10 einen
Längsquerschnitt
der Einheit aus 4.
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Die
Abbildungen der 1, 2 und 3 zeigen
Stufen der Bildung eines Bohrstrangelements.
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Die
Abbildung aus 1 zeigt ein zylindrisches, röhrenförmiges Element,
das verformt wird, und wobei ein axial geteilter Kern 2 in
das Element 1 eingeführt
wird, wobei der Kern eine Formeinrichtung darstellt, mit einer gewünschten äußeren Form,
in welche das Element 1 geformt werden soll. Der Kern 2 weist
einen Formgebungsabschnitt mit gewünschter Konfiguration mit gegenüberliegenden
Endstücken
mit kreisförmigen
Querschnitten auf, wobei die Außendurchmesser dieser
Endstücke
im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Elements 1 entsprechen.
Der Formgebungsabschnitt des Kerns kann Scheitel und Mulden aufweisen,
die sich im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Kerns/röhrenförmigen Elements
erstrecken, oder vorzugsweise erstrecken sich die Scheitel und Mulden
entlang und über
eine Längsachse
des Kerns/röhrenförmigen Elements
in einer spiralförmigen
Formation, in vorteilhafter Weise in einer rechtsdrehenden Spirale. Der
Kern 2 ist so angeordnet, dass er in dem Innendurchmesser
des Elements 1 Platz findet, wobei er ferner so angeordnet
ist, dass sich ein formgebender, nicht zylindrischer Abschnitt nicht über die
extremen Enden des Elements 1 erstreckt, so dass die extremen
Enden ungeformt bleiben. Das Element 1 und der Kern 2 werden
in eine durch einen dickwandigen Zylinder 3 und Dichtungen 16 (in
der Abbildung aus 10 dargestellt) gebildete Druckkammer
eingeführt.
Fluid, vorzugsweise Flüssigkeit,
wird in den Ring zwischen dem Element 1 und dem Zylinder 3 eingeführt, und
es wird ein hoher Druck ausgeübt,
um das Element 1 einwärts
zu verformen, so dass es die Form der externen Oberfläche des
Kerns 2 annimmt (wie dies in 2 abgebildet
ist).
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Die
Dichtungen und das Fluid werden entfernt, um die in der Abbildung
aus 3 dargestellte Konfiguration bereitzustellen,
und wobei der Kern danach entfernt wird, so dass das in der Abbildung
aus 4 dargestellte Element bereitgestellt wird.
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Bei
dem Kern handelt es sich vorzugsweise zwar um einen geteilten Kern,
wobei hiermit festgestellt wird, dass eine derartige Konfiguration
nicht wesentlich ist, wie dies für
den Fachmann auf dem Gebiet verständlich ist. Obgleich für den Kern
ein Querschnitt mit sechs Ansätzen
bevorzugt wird, d.h. ein Kern mit sechs Scheiteln, wird hiermit
festgestellt, dass auch andere Konfigurationen wünschenswert sein können, sofern dies
verlangt wird. Erforderlich ist es somit, dass mindestens ein Scheitel
vorgesehen wird, wobei zwei Scheitel eine Ellipse darstellen, wobei
drei Scheite eine Dreiecksform bilden, wobei vier Scheitel ein Rechteck
bilden, etc., wobei es jedoch gewünscht wird, dass die form gut
abgerundete Kanten bzw. Ecken aufweist.
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Das
röhrenförmige Element 1 wird
somit plastisch verformt, und obwohl die Enden des Elements 1 in
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht verformt
werden, kann das ganze Element 1 auch verformt werden,
sofern dies gewünscht
wird.
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An
Stelle des Hydroverformens des röhrenförmigen Elements 1 kann
dieses alternativ auch explosionsverformt werden.
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Nach
dem Schritt aus 3 weist das röhrenförmige Element 1 eine
Konfiguration auf, die der Abbildung aus 4 entspricht,
und das Element kann wärmebehandelt
werden, um die Belastungen zu lösen,
die durch das Fertigungsverfahren bewirkt werden.
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Wenn
die Wände
des röhrenförmigen Elements 1 sehr
dick sind, kann eine Verformung bei Umgebungstemperatur nicht möglich oder
nur unter Verwendung sehr teurer Druckpumpsysteme möglich sein.
In diesen Fällen
kann es erforderlich sein, das Element 1 zu erwärmen, um
die für
die Verformung erforderlichen Kräfte
zu reduzieren.
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Die
zylindrischen Enden des Elements sind zur Verbindung mit anderen
röhrenförmigen Elementen
eines Bohrstrangs mit Gewinden versehen. Das Element 1 kann
als ein Überspülgestänge für Überspüloperationen
in unverschalten Bohrlöchern
eingesetzt werden, um differentielles Haften bzw. Wirkhaften zu
verhindern. Ein herkömmliches Überspülgestänge weist allgemein
einen Durchmesser auf, der dem Bohrlochdurchmesser ziemlich genau
entspricht. Die Kontaktfläche
zwischen dem Gestänge und
dem Filterkuchen, einer der Faktoren, welche die Wahrscheinlichkeit
dafür bestimmen,
dass sich das Gestänge
differentiell festsetzt, wird somit im Vergleich zu den röhrenförmigen Elementen
mit kleinerem Durchmesser erheblich reduziert. Ein gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestelltes Überspülgestänge gemäß der folgenden
Beschreibung reduziert somit erheblich die Berührungs- bzw. Kontaktfläche und
eliminiert somit das Risiko für
ein differentielles Festsetzen, wenn ein festgesetzter Bohrstrang überspült wird.
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Für die Vorbereitung
des geformten Rohrs bzw. Gestänges
für weitere
Fertigungsschritte kann die Wanddicke des zylindrischen Endes des
Gestänges
(Element 1) erhöht
werden, indem externe und/oder interne Druckverformungen erzeugt
werden. Ein derartiger Vorgang ist in der Bohrstrangfertigungsbranche üblich, und
darauf folgt eine Wärmebehandlung
des Rohrs bzw. des Gestänges.
Das druckverformte Gestänge
kann mit Gewinde versehen und als spezielle, verschweißungsfreie
röhrenförmige Elemente
wie etwa als Überspülgestänge verwendet
werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
zum Bilden eines Bohrstrangelements gemäß der vorliegenden Erfindung,
das in den Abbildungen der 5 und 6 dargestellt
ist, wird das röhrenförmige Element 1 vor der
Verformung in eine dickwandige Formeinrichtung 5 eingeführt, die
eine innere Oberfläche
aufweist, die in der für
das Element 1 gewünschten
Form konfigurier ist. Die Enden des Elements 1 werden verschlossen,
und Flüssigkeit 6 wird
unter hohem Druck in das Element 1 gepumpt. Aus der Abbildung
aus 5 ist ersichtlich, dass der Außendurchmesser des Elements 1 an
die Scheitel der inneren Form der Formeinrichtung 5 anstößt. Die
Flüssigkeit
wird einem hohen Druck ausgesetzt, was bewirkt, dass sich das Element 1 plastisch
auswärts
verformt, wie dies in der Abbildung aus 6 dargestellt
ist, wobei die Dichtungen und die Formeinrichtung entfernt werden,
um ein Element bereitzustellen, wie dies vorstehend in der Abbildung
aus 4 dargestellt worden ist.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden äußere und
innere Vorschweißverbindungen
an entgegengesetzte Enden der zylindrischen Abschnitte des Elements 1 reibungsgeschweißt, vorzugsweise
druckverformte Enden des geformten Gestängekörpers, wodurch röhrenförmige Bohrstrangelemente
erzeugt werden, wie etwa ein Bohrgestänge, Schwergewicht-Bohrgestängeelemente
und Zwischengewicht-Bohrgestängeelemente.
Die Vorschweißverbindungen
können
den gleichen Durchmesser aufweisen wie ein benachbarter zylindrischer
Gestängeabschnitt
oder für
Handhabungszwecke einen zumindest etwas größeren Durchmesser. Die Vorschweißverbindungen
können einen
größeren, identischen
oder kleineren äußeren Durchmesser
aufweisen als der nicht kreisförmige Abschnitt
des Gestängekörpers für das Bohrgestänge und
das Gestänge
mit schwerer Wand. Für
Bohrstrangelemente mit größeren Außendurchmesser sollte
der äußere Durchmesser
vorzugsweise dem Durchmesser der Vorschweißverbinder entsprechen oder
etwas kleiner sein als der der Vorschweißverbiner (durch Außendruck
geformte Elemente) oder etwas größer als
der der Vorschweißverbinder
(durch Innendruck geformte Elemente), um die Biegungsbeanspruchungen
und den Verschleiß in
dem Vorschweißverbinderbereich
zu reduzieren.
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Allgemein
sollte der Durchmesser eines Kreises in dem Querschnitt des nicht
kreisförmigen Abschnitts
des Elements 1 nicht kleiner sein als der Innendurchmesser
der Vorschweißverbinder.
Wenn der Fertigungsprozess oder die gewünschte äußere Form des Gestänges zu
einem kleineren Durchmesser des Tangential- bzw. Inkreises führen, so
kann es erforderlich sein, dass Metall von der Innenseite des Gestänges durch
Bohren oder auf einer Drehbank entfernt wird. Ein auf diese Weise
modifiziertes Element ist durch den Umfang der vorliegenden Erfindung
abgedeckt.
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In
bestimmten Situationen kann es erforderlich sein, die Scheitel auf
bestimmten Abschnitten des nicht kreisförmigen Abschnitts des Gestänges mit
einer Schutzschicht aus Hartmetall für eine höhere Verschleißfestigkeit
zu überziehen.
Um im anderen Fall eine gleichmäßig dicke
Schicht aus Hartmetall zu erreichen, kann der Außendurchmesser des Elements
auf einer Drehbank vor dem Auftragen der Hartmetallschicht leicht
reduziert werden. Ein auf diese Weise behandeltes Element ist ebenfalls
durch den Umfang der vorliegenden Erfindung abgedeckt.
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In
Bezug auf die Abbildung aus 7 sind mehrere
Elemente 1, die jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildet sind, der Reihe nach bzw. seriell in einem Bohrstrang
verbunden. Das oberste Element 1 weist einen Abschnitt 8 mit
kreisförmigem
Querschnitt auf, welcher die gleiche Konfiguration aufweist wie
das ursprüngliche
zylindrische, röhrenförmige Element
vor der Verformung, und wobei das verformte Element vier Keulen
bzw. Ansätze 9 aufweist,
die sich jeweils longitudinal zu dem Element 1 erstrecken.
Ein oberes, entferntes Ende des Elements 1 weist eine innere
obere Verbindung 7 auf, die zum Beispiel durch Reibungsschweißen an dem Element 1 angebracht
wird. Das intermediäre
bzw. Zwischenelement 1 weist eine Konfiguration mit sechs
Ansätzen
auf, die sich jeweils longitudinal zu dem Element 1 erstrecken.
Ein unteres Element 1 weist vier Ansätze 11 auf, die spiralförmig um
das Element 1 ausgebildet sind, und wobei eine äußere Verbindung 12 mit
einem Ende des unteren Elements 1 verbunden ist, wie zum
Beispiel durch Reibungsschweißen.
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Alle
Elemente 1 sind durch zusammenpassende Vorschweißverbinder
(nicht abgebildet) mit Gewinde zwischenverbunden. Jede der Ansatzformationen
der Elemente 1 ist auf die vorstehend beschriebene Art
und Weise ausgebildet.
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In
der Abbildung aus 8 weist das röhrenförmige Element 1 einen
Abschnitt 13 mit kreisförmigem
Querschnitt auf, der eine Senkrechtförderer- und Rutschaussparung
bildet. Das Element 1 weist sechs Ansätze 14 auf, die von
dem ursprünglich
bereitgestellten zylindrischen Element eingekerbt und gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet sind.
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Das
Ausführungsbeispiel
aus 9 weist ein Element mit einer spiralförmigen Formation
von sechs Ansätzen 15 auf,
die von dem ursprünglich
bereitgestellten kreisförmigen
Element eingekerbt und gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt somit eine kostengünstigere Lösung für die Bildung eines Bohrstrangelements
bereit, das sich dafür
eignet, differentielles Haften zu verhindern.