Investigación y cuantificación de los procesos de colmatación en las operaciones de recarga artificial de acuíferos mediante balsas de infiltración y pozos de inyección

La deposición de determinadas fracciones de finos en el entorno de los pozos de inyección y las balsas de infiltración, ambas instalaciones de recarga artificial de acuíferos, conlleva la variación de propiedades hidrogeológicas del medio tales como la permeabilidad. La hidráulica de pozos y la hidrodinámica de balsas tradicionales no contemplan la condición de permeabilidad variable, por lo que se han investigado las funciones de colmatación y permeabilidad como funciones matemáticas susceptibles de reproducir este nuevo comportamiento. A partir de estas funciones, la utilización de métodos analíticos y numéricos ha permitido desarrollar las correspondientes ecuaciones de flujo aplicables a medios detríticos colmatados; el objetivo de esta nueva formulación es la cuantificación de los efectos que los procesos de colmatación tienen sobre las formaciones permeables. Se comprueba que el caudal unitario infiltrado en las balsas de recarga depende de la permeabilidad del medio; asimismo, en dichas instalaciones, la masa de finos colmatada depende de su concentración en la superficie de infiltración y de las velocidades de decantación e infiltración a través de la balsa. Por su parte y en presencia de colmatación, los acuíferos sometidos a caudales constantes de inyección por pozos experimentan ascensos de nivel piezométrico superiores a los teóricamente predecibles; por el contrario, la evolución de los caudales de inyección a nivel constante en los pozos de recarga responde a un comportamiento decreciente, también superior a lo inicialmente previsto por el modelo teórico. Estas variaciones de caudal y nivel piezométrico dependen de parámetros como la concentración y tamaño de los sólidos en suspensión en el agua de recarga, el tamaño de las partículas constituyentes del medio detrítico, la distancia al eje del pozo, etc.

Diseño y construcción de una bomba manual de émbolo para cisternas de aguas pluviales y pozos someros

El objetivo de este proyecto es hacer un estudio sobre las bombas manuales de émbolo como tecnología social, analizando su implicación en el “Programa Um Milhão de Cisternas” – Programa un millón de cisternas - (P1MC) que se desarrolla en el semiárido brasileño basado en la recogida de agua de lluvia, ya que es una de las formas más sencillas y de bajo costo para paliar el déficit de agua en la región. El caso de estudio serán las bombas Carcará I y II cuya fabricación se hace con elementos de PVC y canicas, así como la construcción de la bomba Carcará II en metacrilato con fines esencialmente didácticos a fin de poder evaluar y enseñar el funcionamiento, recorrido del agua y disposición de sus elementos, su caracterización y posibles mejoras de este tipo de bombas en el laboratorio de Hidráulica Aplicada para el desarrollo de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIDI) de la UPM.

Diseño e implementación de robot prototipo para la inspección de tuberías en pozos petroleros (bombas de cavidad progresiva y bombas electro sumergibles)

En este trabajo se presenta el desarrollo de un robot basado en la estructura tensegrity con el fin de realizar tareas de inspección y mantenimiento en tuberías petroleras. Debido a la naturaleza de la aplicación, el robot debe ser capaz de desplazarse verticalmente por el exterior de una dicha tubería. Este tipo de estructura mecánica se caracteriza por su bajo peso y su alta capacidad de adaptación a los diferentes diámetros. La aplicación requiere que el dispositivo desarrollado se desplace a alta velocidad por las tuberías utilizadas en la extracción del petróleo. Cabe destacar que en dichas instalaciones se cuenta con Bombas Electro Sumergibles (BES) y Bombas de Cavidad Progresiva (BCP), ambas muy sensibles a las condiciones adversas del entorno. Consecuentemente se prevé que el robot incorpore una red de sensores específicos para medir aquellas variables que puedan interferir en el funcionamiento normal de las bombas. En este artículo se describen detalladamente las hipótesis de diseño realizadas y la metodología utilizada para el desarrollo del primer prototipo. Finalmente se presentan los resultados obtenidos de dicho desarrollo a través de los cuales se ha podido validar la potencialidad de la aplicación.

Solución de gestión y control de la integridad de pozos

El objetivo de este proyecto es la creación de un modelo de gestión y control de la integridad de pozo, basado en el seguimiento de la operación y el análisis de su diseño y construcción. Para ello se diseña una herramienta tecnológica que permita disponer de la información necesaria y gestionarla según estándares internacionales. En la fase inicial del proyecto se realizó una revisión bibliográfica de los estudios más relevantes sobre integridad de pozos, tanto de la asociación SPE (Society of Petroleum Engineers), de Universidades de Noruega y México, o de empresas como ECOPETROL, con el fin entrar en el contexto y analizar antecedentes de modelos y herramientas similares. En segundo lugar se ha realizado un estudio de las bases de datos, comenzando por un análisis de los estándares de PPDM (The Professional Petroleum Data Management Association) sobre los que se realiza la herramienta y se ha seleccionado la base de datos que más se adecua a la herramienta, considerando Access como la mejor opción por ser de fácil acceso e incorporar el módulo de informes. Para la creación de la solución se diseñó un modelo de datos, condicionado por los requisitos de integridad de pozos de la normativa noruega NORSOK D-010 y de la guía de recomendaciones para la integridad de pozos de la asociación de petróleo y gas de Noruega. La materialización de este modelo se realizó mediante la creación de una base de datos en la plataforma Access, y empleando lenguaje propio de Access combinado con programación SQL. Una vez definido y construido el modelo de datos, es posible crear una capa de visualización de la información. Para ello se define un informe de estado de pozo. Este informe será visible por el usuario según sus roles y responsabilidades. ABSTRACT The objective of this project is to create a model for managing and controlling the well integrity. It is based on the monitoring of the operation and the analysis of its design and construction. Therefore a technological tool is designed; to allow having the necessary information and to manage it according to international standards. At the beginning of the project, a literature review of the most relevant studies on well integrity was performed. It was made to enter into context and to analyze the history of the models and available similar tools. It included texts from the association SPE (Society of Petroleum Engineers), universities from Norway and Mexico, and companies like ECOPETROL. Secondly there has been a study of the databases. It began with an analysis of PPDM (The Professional Petroleum Data Management Association) standards; about which, the tool is made. After the analysis, Access was considered the best option because it is easily accessible and incorporates the reporting module. In order to create the solution a data model was designed. It was conditioned by the requirements of integrity of wells, in the Norwegian standards and in the NORSOK D010 recommendations guide for well integrity of the Norwegian oil and gas Association. This model was performed by a database in the Access platform, and using Access language, combined with SQL programming. Once the data model is defined and built, it is possible to create a layer of data visualization. A report of this well is defined to create it. This report will be visible for the user according to their roles and responsibilities.

¿Qué Método Utilizar Para Estimar la Temperatura estática de una formación de Petróleo?

Conocer la temperatura estática de una formación de petróleo es importante a la hora de evaluar y terminar un pozo. Existe una gran variedad de métodos para la determinación de esta temperatura. Cada método utiliza hipótesis y simplificaciones distintas que llevan a estimaciones diferentes, en algunos casos bastante alejadas del valor real. Esto hace difícil saber qué método utilizar. En este trabajo, se aplican los métodos de cálculo más comunes - Horner (HM), flujo radial y esférico (SRM), de las dos medidas (TLM) y de fuente de calor cilíndrica (CSM)- a cuatro pozos distintos. Se describe cómo aplicarlos en casos reales. Se presta especial atención a establecer los datos necesarios en cada caso: propiedades termo-físicas y número de medidas, y se proporcionan criterios para estimarlos en caso de no conocer su valor real. Como conclusiones a este trabajo se presentan una serie de pautas que permiten seleccionar el método de cálculo más conveniente en función de la información de que se disponga

Métodos para la estimación de la temperatura estática de la formación en yacimientos de petróleo y geotérmicos

Las empresas explotadoras de yacimientos de petróleo y geotérmicos diseñan y construyen sus instalaciones optimizándolas según dos características especialmente representativas: su temperatura y su presión. Por ello, tener información precisa sobre ambos aspectos lo antes posible puede permitir ahorros importantes en las inversiones en infraestructuras y también acortar los plazos de comienzo de explotación; ambos, aspectos esenciales en la rentabilidad del yacimiento. La temperatura estática de una formación es la temperatura existente antes del inicio de las tareas de perforación del yacimiento. Las operaciones de perforación tienen como objetivo perforar, evaluar y terminar un pozo para que produzca de una forma rentable. Durante estas tareas se perturba térmicamente la formación debido a la duración de la perforación, la circulación de fluidos de refrigeración, la diferencia de temperaturas entre la formación y el fluido que perfora, el radio, la difusividad térmica de las formaciones y la tecnología de perforación [7]. La principal herramienta para determinar la temperatura estática de formación son las medidas de temperaturas en los pozos. Estas medidas de temperatura se realizan una vez cesados los trabajos de perforación y circulación de fluidos. El conjunto de medidas de temperatura obtenidas es una serie de valores ascendentes, pero no llega a alcanzar el valor de la temperatura estática de la formación. Para estimar esta temperatura se plantean las ecuaciones diferenciales que describen los fenómenos de transmisión de calor en el yacimiento [14]. Estos métodos se emplean tanto en yacimientos geotérmicos como en yacimientos de petróleo indistintamente [16]. Cada uno de ellos modela el problema de transmisión de calor asociado de una forma distinta, con hipótesis simplificadoras distintas. Se ha comprobado que la aplicación de los distintos métodos a un yacimiento en concreto presenta discrepancias en cuanto a los resultados obtenidos [2,16]. En muchos de los yacimientos no se dispone de información sobre los datos necesarios para aplicar el método de estimación. Esto obliga a adoptar una serie de hipótesis que comprometen la precisión final del método utilizado. Además, puede ocurrir que el método elegido no sea el que mejor reproduce el comportamiento del yacimiento. En el presente trabajo se han analizado los distintos métodos de cálculo. De la gran variedad de métodos existentes [9] se han seleccionado los cuatro más representativos [2,7]: Horner (HM), flujo radial y esférico (SRM), de las dos medidas (TLM) y de fuente de calor cilíndrica (CSM). Estos métodos se han aplicado a una serie de yacimientos de los cuales se conoce la temperatura estática de la formación. De cada yacimiento se disponía de datos tanto de medidas como de las propiedades termo-físicas. Estos datos, en ocasiones, eran insuficientes para la aplicación de todos los métodos, lo cual obligo a adoptar hipótesis sobre los mismos. Esto ha permitido evaluar la precisión de cada método en cada caso. A partir de los resultados obtenidos se han formulado una colección de criterios que permiten seleccionar qué método se adapta mejor para el caso de un yacimiento concreto, de tal manera que el resultado final sea lo más preciso posible. Estos criterios se han fijado en función de las propiedades termo-físicas del yacimiento, que determinan el tipo de yacimiento, y del grado de conocimiento que se dispone del yacimiento objeto de estudio.

Diseño y Desarrollo de un Robot de Inspección de Tuberías

El siguiente trabajo presenta un desarrollo innovador de un Robot de Inspección de Tuberías, el cual fue diseñado para operación de Tuberías Verticales (RETOV Robot de operación en tuberías Verticales (siglas en Español)). Cuando RETOV es usado para inspeccionar pozos petroleros, puede ser controlado desde la superficie, esto permite al operador la inspección y monitoreo del pozo. Esto es efectuado a través de una interfaz de usuario que controla el Robot. RETOV fue diseñado con anillos articulados que abrazan la tubería, un nuevo sistema de amortiguación y ruedas móviles brinda la posibilidad de navegar y evitar obstáculos en la tubería realizando tres tipos de movimientos: rotación, traslación y helicoidal. Adicionalmente RETOV fue diseñado para realizar inspección entre dos tuberías(la tubería de producción y el pozo petrolero), con un sistema de seguridad y una estructura liviana, RETOV puede ser equipado con sensores para medir las variables de interés en el pozo. El diseño de la mecánica y el programa de control, la instrumentación, los modelos matemáticos y resultados de las pruebas han sido descritos en esta Tesis. The following Doctoral Thesis presents an innovative application of a Pipe Inspection Robot, which was designed especially as Operation Robot in Vertical Pipes (RETOV) (Robot for operation vertical pipes (Spanish acronyms)). When RETOV is used to inspect Oil Well, can be controlled from the surface, it´s allow the operator the well inspection and monitoring. This is done through our interface that controls the robot. The RETOV was designed with an articulated ring systems that embrace the pipe, a new damping systems and mobile wheels bring the possibility to navigate and avoid obstacles into the well, performing three types of movement: Rotational, translational and screw. Additional, RETOV was designed to perform the inspection between two pipes (pipe and oil well production), with a security braking systems and lightweight structure; RETOV can be equipment with sensors to measure the variables of interest in the well. The hardware and Software design, the instrumentation, the mathematical models, and the test results have been described in this thesis.

Recuperación secundaria en campos de petróleo y su conversión en almacenamientos subterráneos de gas natural

El objetivo de este proyecto es estudiar la recuperación secundaria de petróleo de la capa sureste Ayoluengo del campo Ayoluengo, Burgos (España), y su conversión en un almacenamiento subterráneo de gas. La capa Ayoluengo se ha considerado como una capa inclinada de 60 km por 10 km de superficie por 30 m de espesor en el que se han perforado 20 pozos, y en donde la recuperación primaria ha sido de un 19%. Se ha realizado el ajuste histórico de la recuperación primaria de gas, petróleo y agua de la capa desde el año 1965 al 2011. La conversión a almacenamiento subterráneo de gas se ha realizado mediante ciclos de inyección de gas, de marzo a octubre, y extracción de gas, de noviembre a febrero, de forma que se incrementa la presión del campo hasta alcanzar la presión inicial. El gas se ha inyectado y extraído por 5 pozos situados en la zona superior de la capa. Al mismo tiempo, se ha realizado una recuperación secundaria debido a la inyección de gas natural de 20 años de duración en donde la producción de petróleo se realiza por 14 pozos situados en la parte inferior de la capa. Para proceder a la simulación del ajuste histórico, conversión en almacenamiento y recuperación secundaria se utilizó el simulador Eclipse100. Los resultados obtenidos fueron una recuperación secundaria de petróleo de un 9% más comparada con la primaria. En cuanto al almacenamiento de gas natural, se alcanzó la presión inicial consiguiendo un gas útil de 300 Mm3 y un gas colchón de 217,3 Mm3. ABSTRACT The aim of this project is to study the secondary recovery of oil from the southeast Ayoluengo layer at the oil field Ayoluengo, Burgos (Spain), and its conversion into an underground gas storage. The Ayoluengo layer is an inclined layer of 60 km by 10km of area by 30 m gross and with 20 wells, which its primary recovery is of 19%. The history matching of the production of oil, gas and water has been carried out from the year 1965 until 2011. The conversion into an underground gas storage has been done in cycles of gas injection from March to October, and gas extraction from November to February, so that the reservoir pressure increases until it gets to the initial pressure. The gas has been injected and extracted through five well situated in the top part of the layer. At the same time, the secondary recovery has occurred due to de injection of natural gas during 20 years where the production of oil has been done through 14 wells situated in the lowest part of the layer. To proceed to the simulation of the history match, the conversion into an underground gas storage and its secondary recovery, the simulator used was Eclipse100. The results were a secondary recovery of oil of 9% more, compared to the primary recovery and concerning the underground gas storage, the initial reservoir pressure was achieved with a working gas of 300 Mm3 and a cushion gas of 217,3 Mm3.

Saneamiento Rural en Sepahua, Ucayali (Selva Sur de Perú). Proyecto de 104 Núcleos Húmedos de Higiene en cuatro Barrios Ribereños de Villa Sepahua

El presente Trabajo Fin de Master (TFM) está inserto dentro del Programa Sepahua-Agua que Energía Sin Fronteras (ESF) desarrolla a petición de la Municipalidad peruana de Sepahua, Ucayali. El TFM es el proyecto de instalación domiciliaria y saneamiento de la primera fase de dicho programa. El Programa Sepahua-Agua surge por la preocupación de los habitantes rurales y de la municipalidad de Sepahua por la calidad del agua que tienen, tanto por el acceso al agua potable como del tratamiento de sus residuos, y que es la causante de los problemas de desnutrición infantil que la población está padeciendo. Ante la falta de capacitación técnica para resolver el problema la municipalidad de Sepahua solicitó ayuda a la ONG española ESF, que ya había trabajado en esta localidad ayudando a la Misión Dominica de El Rosario de Sepahua y que actúa de contraparte en el programa. El programa se divide en dos fases: la primera se centra en aportar una solución de agua y saneamiento para cuatro barrios ribereños de la Villa de Sepahua: San Fernando, Santa Elena, San Felipe y Santa Rosa. La segunda fase buscará la posibilidad de ofrecer a otras comunidades de la ribera del Río Urubamba el proyecto realizado en la primera fase como una solución ejecutable. La primera fase del programa empezó hace año y medio. Tras unos meses de estudio de la situación desde Madrid, se entendió como imprescindible mandar a dos técnicos para que realizaran la toma de datos necesaria para poder seguir adelante. Los dos voluntarios de ESF que fuimos a trabajar en terreno somos también alumnos del Master en Tecnología para el Desarrollo Humano y la Cooperación. Durante la estancia de seis meses se alcanzaron los siguientes resultados: una descripción topográfica de la zona del proyecto, ubicando cada vivienda de los Barrios Ribereños, sus instalaciones de agua y saneamiento actuales, las quebradas o manantes de la zona y los pozos existentes; un análisis del agua y obtención del caudal de las quebradas que se vieron como posibles captaciones; un diagnóstico de la situación actual respecto al agua y saneamiento en los Barrios Ribereños; una identificación social para conocer las peculiaridades sobre su organización social, el manejo del agua que tienen en cada barrio, su cultura del agua, sus prácticas higiénicas y el nivel de salud en el que viven; un taller de diseño con la población para conocer su opinión sobre las futuras instalaciones que se construirán en las viviendas. Con estos datos se ha podido elaborar el diseño de la solución técnica para los cuatro barrios ribereños que consiste en: una captación de agua; su acumulación y reserva en depósitos; la distribución de agua ya tratada y clorada en cada domicilio; un Núcleo Húmedo de Higiene en cada vivienda como instalación domiciliaria; el saneamiento de cada uno de esos Núcleos Húmedos de Higiene. A su vez durante la primera fase también se realizarán los siguientes trabajos: la ejecución de la solución técnica; formación de la población para que adquieran los conocimientos que les ayuden a tener conciencia de la importancia de las buenas prácticas de higiene y cuiden y obtengan el mejor uso posible de su nueva instalación; una estrategia de sostenibilidad como propuesta de administración, operación y mantenimiento teniendo en cuenta a los pobladores de los barrios; una estrategia de implementación del sistema; el monitoreo y la evaluación del proyecto ejecutado por parte de ESF. En resumen, el presente TFM se centra en el proyecto de la primera fase que consiste en: los Núcleos Húmedos de Higiene como instalación domiciliaria; el saneamiento de estos núcleos; los demás aspectos relativos a los Núcleos Húmedos de Higiene como su mantenimiento, control, buen uso por parte de la población… El proyecto de captación, reserva, cloración y distribución del agua, también presentes en la primera fase del programa, son tratados en el TFM de Alba Gómez Calvo, alumna también del Master en Tecnología para el Desarrollo Humano y la Cooperación. Ambos TFM se complementan entre si y conjuntamente forman la primera fase del Programa Sepahua-Agua.

Metodología para definir los criterios de diseño de una estructura robótica en tuberías petroleras de operación vertical

Este trabajo propone la aplicación de la metodología de despliegue de la función de calidad para definir los criterios de diseño de un robot deslizante para trabajar en tareas de inspección y mantenimiento en pozos petroleros. Dicho estudio analiza inicialmente el sistema y las diferentes opciones para la colocación de una estructura robótica evaluando alternativas y estudiando una estructura robótica para tal fin. Para ello se realizó una consulta por medio de encuesta a varios expertos en el tema con la finalidad de definir las características que debe tener el robot de acuerdo con los requerimientos críticos que tiene la aplicación. En este trabajo se muestran los resultados arrojados por la matriz QFD (Quality Function Deployment) cuando los datos de entrada son los proporcionados por el grupo de expertos encuestados. A partir de estos resultados es posible determinar los requisitos técnicos que debe reunir la estructura robótica que se desea diseñar.

Fuentes y las vías romanas en la provincia de Soria: Aportación al conocimiento de elementos menores de caminería. El caso de la Vía Augustobriga-Numancia

El trabajo desarrolla el inventario de puntos de agua cartografiados y actuales que se emplazan en las proximidades de la vía romana Augustóbriga-Uxama. El objeto es aportar posibles relaciones del trazado de la vía con el agua tanto de escorrentía como subterránea. Especial mención se hace con respecto a las aguas subterráneas aprovechadas mediante la construcción de obras públicas muy notables y relacionadas con el mundo romano en este tramo. Se valora la importancia que representan para el patrimonio arquitectónico, histórico e hidrogeológico estas obras hidráulicas denominadas menores, pero que todavía sobreviven en gran número por nuestro territorio. Se razona la necesidad de conservar estas estructuras de abastecimiento antiguas en un ámbito rural cada vez más abandonado, y donde las fuentes públicas han perdido gran parte de su utilidad inicial, pero cuyo valor cultural y científico es innegable y debiera ser divulgado y preservado. Por último, se discuten las características y el arte de captar las aguas freáticas mediante pozos-fuentes y que identifican estas obras de ingeniería romana sobre otras semejantes de épocas distintas. Finalmente se presenta la descripción y explicación hidrogeológica de las fuentes romanas del tramo de vía citado.

Avances en la investigación de los recursos hídricos en islas y terrenos volcánicos

Canarias se puede considerar como uno de los mejores laboratorios hidrogeológicos del mundo. Por una parte, en la isla coexiste un amplísimo abanico de procesos volcánicos, desde aquellos asociados a materiales muy básicos a otros asociados a materiales muy diferenciados, todo ello en un área de apenas 2.000 km2, algo insólito en una región volcánicamente activa. Por otro lado, las islas cuentan con una amplísima red de galerías subterráneas y pozos, que permiten estudiar desde el subsuelo prácticamente cualquier fenómeno geológico presente en la isla. Esta red de extracción de aguas subterráneas permite además acceder al acuífero a distintas alturas, latitudes y longitudes, hecho que también es insólito a nivel mundial. Las galerías y pozos constituyen el principal sistema de abastecimiento de agua para la población, por lo que existe un claro vínculo social y económico con el agua subterránea. El presente libro, incluye las lecturas de la reunión científica que tuvo lugar en la isla de Tenerife durante el mes de Noviembre 2012, en ella participaron científicos y profesionales de todo el país participando en las siguientes sesiones en las que se divide el presente documento; El agua en los terrenos volcánicos, tecnologías de aprovechamiento. Estudio de los recursos hídricos subterráneos. Obras hidráulicas y aprovechamientos superficiales. Nuevas tecnologías, depuración y calidad de aguas. Gestión integral del agua e hidrología forestal. El libro es de interés para académicos, ingenieros, consultores, y profesionales vinculados con la hidrología y el aprovechamiento de aguas en terrenos volcánicos.

Evaluación ambiental de las tecnologías de recuperación de gas en formaciones no convencionales

Este proyecto pretende ofrecer una visión general de una de las tecnologías más actuales de recuperación de gas en formaciones no convencionales: fracturación hidráulica o “fracking”. El proyecto está motivado por la necesidad de responder a diferentes cuestiones sobre los efectos ambientales, sociales y en la salud humana derivados de la utilización de esa tecnología. Ofrece, además, una descripción del proceso y utilización de la tecnología haciendo especial mención de los riesgos inherentes de su uso, aunque también se intenta establecer una vía de aceptación para su desarrollo cuyo fin último, a parte de los beneficios económicos de quienes la usan, es el de posibilitar la transición hacia el uso de unos recursos (energías fósiles de extracción no convencional) que requieren de dichas técnicas para mantener, a lo largo del tiempo, el suministro de una energía que se supone más respetuosa con el medio ambiente: el gas natural. En primer lugar se expone, a modo introductorio, la necesidad de utilización de nuevas técnicas de estimulación de pozos y su utilización para satisfacer las necesidades energéticas mundiales en los próximos años. A continuación se hace una revisión del marco regulatorio aplicable al gas no convencional. Seguidamente, se hace una descripción de los recursos y fuentes no convencionales de gas y la descripción del proceso de fracturación hidráulica. Se analizan los incidentes relacionados con su desarrollo y las posibilidades y mecanismos que pueden adoptarse para reducirlos. Finalmente, se proponen vías alternativas basadas en las mejores técnicas aplicables al uso de la tecnología, cuya finalidad sea la mayor consideración ambiental posible y el menor riesgo posible en la salud de las personas. ABSTRACT This project aims to provide an overview of the latest technologies in gas recovery unconventional formations: hydraulic fracturing or "fracking". The project is motivated by the need to respond to various questions on the environmental, social and human health arising from the use of this technology. It also offers a description of the process and use of technology with special mention of the inherent risks of their use, but also tries to establish a path of acceptance for development whose ultimate goal, apart from the economic benefits of those who use is of enabling the transition to the use of certain resources (fossil energy extraction unconventional) which require such techniques to maintain, over time, of an energy supply which is more environmentally friendly: natural gas. First discussed the need to use new well stimulation techniques and their use to meet the world's energy needs in the coming years. Below is a review of the regulatory framework applicable to unconventional gas. Next, there is a description of resources and unconventional sources of gas, and the description of the process of hydraulic fracturing. We analyze the incidents related to its development and the possibilities and mechanisms that can be taken to reduce them. Finally, we suggest alternative routes based on the best techniques applicable to the use of technology, aiming at the highest possible environmental consideration and the least possible risk to the health of people.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.

Diseño de Explotaciones e Infraestructuras Mineras Subterráneas.

Esta obra está destinada a servir de introducción al diseño de las explotaciones mineras subterráneas, campo en el que existe una muy escasa bibliografía en lengua castellana. Para ello, parte de una descripción pormenorizada de los criterios a tener en cuenta en un plan general de preparación y desarrollo de una mina subterránea, los criterios para la configuración general de los accesos y la terminología empleada en minería de interior. Seguidamente, se hace una descripción de la naturaleza del diseño, la ingeniería y la construcción de pozos verticales de extracción, los métodos para su construcción, su revestimiento y acondicionamiento, además de explicar la construcción de la maquinaria de extracción. Seguidamente se explican el diseño y la construcción de los planos inclinados y el desarrollo de galerías e infraestructura de mina. El resto de la publicación aborda los distintos métodos de explotación en interior, sus condiciones de diseño y de aplicación.