[pt] Na última década a participação dos campos do Pré-Sal brasileiro na produção nacional de petróleo aumentou substancialmente, tornando esses campos responsáveis por mais da metade da produção nacional e com perspectiva de crescimento para os próximos anos. Os reservatórios de petróleo encontrados nessa região são caracterizados por espessuras que podem variar de poucas dezenas a centenas de metros, rochas com boas qualidades permo-porosas e presença de óleo leve, com elevado teor de gás associado e com contaminantes como CO2. Por estas características, diversos sistemas de produção instalados nestes reservatórios foram preparados e deverão adotar o método de recuperação suplementar com injeção alternada de água e gás. No presente trabalho foi feita uma análise paramétrica sobre a influência que propriedades de reservatório como espessura porosa, permeabilidade horizontal, permeabilidade vertical e razão kv/kh, e variáveis operacionais como vazão de operação, razão WAG e tempo de ciclo podem gerar no fator de recuperação em um cenário de produção típico do Pré-Sal brasileiro com e sem o efeito de segregação gravitacional. Pela comparação dos resultados em diversos casos de simulação numérica, foi possível identificar as variáveis com maior impacto e a influência decorrente do efeito gravitacional. Em seguida, a partir de uma análise de sensibilidade foi gerada uma equação para estimar o fator de recuperação em função das variáveis selecionadas. Números adimensionais propostos na literatura para avaliar a segregação gravitacional de fluidos em meio poroso foram calculados e utilizados para gerar outras equações para estimar o fator de recuperação. As estimativas do fator de recuperação feitas por cada função foram comparadas com os valores simulados para cada caso e foram identificadas as funções que apresentaram as estimativas mais próximas. Tais funções poderão ser utilizadas para estimar o fator de recuperação no cenário proposto e com aplicação em análises preliminares para projetos de desenvolvimento de campos de petróleo. / [en] In the last decade, the contribution of Brazilian pre-salt fields in the national oil production has increased substantially, setting these fields as responsible for more than half of the national production and with growth perspectives for years to come. The oil reservoirs found in this region are characterized by thicknesses which can vary from a few tens to hundreds of meters, rocks with favorable matrix properties, and the presence of light oil with a high associated gas content and contaminants such as CO2. Due to these characteristics, several production systems installed in these reservoirs were prepared and should adopt water alternating gas injection as supplementary recovery method. In the present study, a parametric analysis was performed on the influence that reservoir properties as porous thickness, horizontal permeability, vertical permeability, and kv/kh ratio, and operating variables as operating flow rate, WAG ratio, and cycle time can provoke in the recovery factor in a typical Brazilian pre-salt production scenario with and without the effect of gravitational segregation. By comparing the results in several cases of numerical simulation it was possible to identify the variables with the greatest impact and the influence of the gravity effect on recovery. From a sensitivity analysis, equations to estimate the recovery factor as a function of the selected variables or as a function of dimensionless numbers proposed in the literature to assess the gravitational segregation of fluids in porous media were adjusted. The recovery factor estimates made with each function were compared with the simulated values for each case and the functions that presented the best estimates were identified. Such functions can be used to estimate the recovery factor in the application scenario with application in preliminary analyzes for oil field development projects.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho é apresentado um novo método acurado com passo de tempo fracionário, baseado em uma técnica de decomposição de operadores, para a solução numérica de um sistema governante de equações diferenciais parciais que modela escoamento trifásico água-gás-óleo imiscível em reservatórios de petróleo heterogêneos no qual os efeitos de compressibilidade do gás não foram levados em conta. A técnica de decomposição de operadores em dois níveis permite o uso de passos de tempo distintos para os três problemas definidos pelo procedimento de decomposição: convecção, difusão e pressão-velocidade. Um sistema hiperbólico de leis de conservação que modela o transporte convectivo das fases fluidas é aproximado por um esquema central de diferenças finitas explícito, conservativo, não oscilatório e de segunda ordem. Este esquema é combinado com elementos finitos mistos, localmente conservativos, para a aproximação numérica dos sistemas de equações parabólico e elíptico associados aos problemas de transporte difusivo e de pressão-velocidade, respectivamente. O operador temporal associado ao sistema parabólico é resolvido fazendo-se uso de uma estratégia implícita de solução (Backward Euler). O modelo matemático para escoamento trifásico considerado neste trabalho leva em conta as forças de capilaridade e expressões gerais para as funções de permeabilidade relativa, campos variáveis de porosidade e de permeabilidade e os efeitos da gravidade. A escolha de expressões gerais para as funções de permeabilidade relativa pode levar à perda de hiperbolicidade escrita e, desta maneira, à existência de uma região elíptica ou de pontos umbílicos para o sistema não linear de leis de conservação hiperbólicas que descreve o transporte convectivo das fases fluidas. Como consequência, a perda de hiperbolicidade pode levar à existência de choques não clássicos (também chamados de choques transicionais ou choques subcompressivos) nas soluções de escoamentos trifásicos. O novo procedimento numérico foi usado para investigar a existência e a estabilidade de choques não clássicos, com respeito ao fenômeno de fingering viscoso, em problemas de escoamentos trifásicos bidimensionais em reservatórios heterogêneos, estendendo deste modo resultados disponíveis na literatura para problemas de escoamentos trifásicos unidimensionais. Experimentos numéricos, incluindo o estudo de estratégias de injeção alternada de água e gás (Water-Alternating-Gas (WAG)), indicam que o novo procedimento numérico proposto conduz com eficiência computacional a resultados numéricos com precisão. Perspectivas para trabalhos de pesquisa futuros são também discutidas, tomando como base os desenvolvimentos reportados nesta tese. / We present a new, accurate fractional time-step method based on an operator splitting technique for the numerical solution of a system of partial differential equations modeling three-phase immiscible water-gas-oil flow problems in heterogeneous petroleum reservoirs in which the compressibility effects of the gas was not take into account. A two-level operator splitting technique allows for the use of distinct time steps for the three problems defined by the splitting procedure: convection, diffusion and pressure-velocity. A system of hyperbolic conservation laws modelling the convective transport of the fluid phases is approximated by a high resolution, nonoscillatory, second-order, conservative central difference scheme in the convection step. This scheme is combined with locally conservative mixed finite elements for the numerical solution of the parabolic and elliptic problems associated with the diffusive transport of fluid phases and the pressure-velocity problem, respectively. The time discretization of the parabolic problem is performed by means of the implicit backward Euler method. The mathematical model for the three-phase flow considered in this work takes into account capillary forces and general expressions for the relative permeability functions, variable porosity and permeability fields, and the effect of gravity. The choice of general expressions for the relative permeability functions may lead to the loss of strict hyperbolicity and, therefore, to the existence of an elliptic region of umbilic points for the systems of nonlinear hyperbolic conservation laws describing the convective transport of the fluid phases. As a consequence, the loss of hyperbolicity may lead to the existence of nonclassical shocks (also called transitional shocks or undercompressive shocks) in three-phase flow solutions. The numerical procedure was used in an investigation of the existence and stability of nonclassical shocks with respect to viscous fingering in heterogeneous two-dimensional flows, thereby extending previous results for one-dimensional three-phase flow available in the literature. Numerical experiments, including the study of Water-Alternating-Gas (WAG) injection strategies, indicate that the proposed new numerical procedure leads to computational efficiency and accurate numerical results. Directions for further research are also discussed, based on the developments reported in this thesis.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho é apresentado um novo método acurado com passo de tempo fracionário, baseado em uma técnica de decomposição de operadores, para a solução numérica de um sistema governante de equações diferenciais parciais que modela escoamento trifásico água-gás-óleo imiscível em reservatórios de petróleo heterogêneos no qual os efeitos de compressibilidade do gás não foram levados em conta. A técnica de decomposição de operadores em dois níveis permite o uso de passos de tempo distintos para os três problemas definidos pelo procedimento de decomposição: convecção, difusão e pressão-velocidade. Um sistema hiperbólico de leis de conservação que modela o transporte convectivo das fases fluidas é aproximado por um esquema central de diferenças finitas explícito, conservativo, não oscilatório e de segunda ordem. Este esquema é combinado com elementos finitos mistos, localmente conservativos, para a aproximação numérica dos sistemas de equações parabólico e elíptico associados aos problemas de transporte difusivo e de pressão-velocidade, respectivamente. O operador temporal associado ao sistema parabólico é resolvido fazendo-se uso de uma estratégia implícita de solução (Backward Euler). O modelo matemático para escoamento trifásico considerado neste trabalho leva em conta as forças de capilaridade e expressões gerais para as funções de permeabilidade relativa, campos variáveis de porosidade e de permeabilidade e os efeitos da gravidade. A escolha de expressões gerais para as funções de permeabilidade relativa pode levar à perda de hiperbolicidade escrita e, desta maneira, à existência de uma região elíptica ou de pontos umbílicos para o sistema não linear de leis de conservação hiperbólicas que descreve o transporte convectivo das fases fluidas. Como consequência, a perda de hiperbolicidade pode levar à existência de choques não clássicos (também chamados de choques transicionais ou choques subcompressivos) nas soluções de escoamentos trifásicos. O novo procedimento numérico foi usado para investigar a existência e a estabilidade de choques não clássicos, com respeito ao fenômeno de fingering viscoso, em problemas de escoamentos trifásicos bidimensionais em reservatórios heterogêneos, estendendo deste modo resultados disponíveis na literatura para problemas de escoamentos trifásicos unidimensionais. Experimentos numéricos, incluindo o estudo de estratégias de injeção alternada de água e gás (Water-Alternating-Gas (WAG)), indicam que o novo procedimento numérico proposto conduz com eficiência computacional a resultados numéricos com precisão. Perspectivas para trabalhos de pesquisa futuros são também discutidas, tomando como base os desenvolvimentos reportados nesta tese. / We present a new, accurate fractional time-step method based on an operator splitting technique for the numerical solution of a system of partial differential equations modeling three-phase immiscible water-gas-oil flow problems in heterogeneous petroleum reservoirs in which the compressibility effects of the gas was not take into account. A two-level operator splitting technique allows for the use of distinct time steps for the three problems defined by the splitting procedure: convection, diffusion and pressure-velocity. A system of hyperbolic conservation laws modelling the convective transport of the fluid phases is approximated by a high resolution, nonoscillatory, second-order, conservative central difference scheme in the convection step. This scheme is combined with locally conservative mixed finite elements for the numerical solution of the parabolic and elliptic problems associated with the diffusive transport of fluid phases and the pressure-velocity problem, respectively. The time discretization of the parabolic problem is performed by means of the implicit backward Euler method. The mathematical model for the three-phase flow considered in this work takes into account capillary forces and general expressions for the relative permeability functions, variable porosity and permeability fields, and the effect of gravity. The choice of general expressions for the relative permeability functions may lead to the loss of strict hyperbolicity and, therefore, to the existence of an elliptic region of umbilic points for the systems of nonlinear hyperbolic conservation laws describing the convective transport of the fluid phases. As a consequence, the loss of hyperbolicity may lead to the existence of nonclassical shocks (also called transitional shocks or undercompressive shocks) in three-phase flow solutions. The numerical procedure was used in an investigation of the existence and stability of nonclassical shocks with respect to viscous fingering in heterogeneous two-dimensional flows, thereby extending previous results for one-dimensional three-phase flow available in the literature. Numerical experiments, including the study of Water-Alternating-Gas (WAG) injection strategies, indicate that the proposed new numerical procedure leads to computational efficiency and accurate numerical results. Directions for further research are also discussed, based on the developments reported in this thesis.