[pt] Esta tese apresenta um estudo sobre técnicas de modelagem numérica utilizadas na análise da propagação eletromagnética em formações geofísicas comumente encontradas na perfuração de poços de petróleo. O emprego de sensores eletromagnéticos adjacentes à broca de perfuração permite a inferência dos parâmetros constitutivos do solo ao redor do poço. Nos últimos anos, os avanços da tecnologia de perfilagem eletromagnética permitiram a modelagem em tempo real do problema, possibilitando direcionar a perfuração do poço a fim de maximizar a exploração de petróleo, gás, e outros hidrocarbonetos fósseis. Formações geofísicas complexas são predominantes neste tipo de problema, e geralmente são modeladas usando técnicas numéricas de força bruta como os métodos de diferenças finitas, dos elementos finitos ou dos volumes finitos. No entanto, estas técnicas têm um custo computacional relativamente alto em termos de memória e tempo de processamento. O avanço da tecnologia de perfilagem em tempo real requer abordagens mais eficientes. Neste trabalho nós empregamos o método do casamento de modos combinado com uma série de características positivas dos métodos pseudoanalíticos conhecidos na literatura para obter uma técnica inédita que permite analisar poços direcionais com estratificações radiais e longitudinais em formações geofísicas anisotrópicas. A técnica proposta permite modelar problemas ainda não explorados, mas com motivação tecnológica iminente, como a propagação eletromagnética ao longo de poços curvados e a perfuração em camadas inclinadas em relação ao eixo axial do poço. Nós apresentamos uma série de resultados de validação que demonstram que a técnica introduzida neste trabalho pode modelar de forma acurada e eficiente sensores de perfilagem eletromagnética usados na exploração de petróleo e gás. / [en] This research presents a study on numerical techniques to model the electromagnetic propagation in geophysical formations commonly encountered in oil well drilling. The employment of electromagnetic sensors surrounding the drill bit allows inferring the constitutive parameters of the soil around the well. In recent years, advances in electromagnetic logging technology have enabled the real-time modeling of this problem. In this way, the drilling direction can be guided in order to maximize the exploitation of oil, gas, and other fossil hydrocarbons. The complex geophysical formations that are prevalent in this type of problem can be effectively handled using brute-force numerical techniques such as finite-differences, finite-elements and finite-volumes. However, these techniques suffer from relatively high cost in terms of both computer memory and CPU time. The advancement of real-time logging technology demands approaches that are more efficient than purely numerical methods. In this work, we employ the mode-matching technique combining attractive features of the well-known pseudo-analytical approaches to obtain a new technique for analyzing directional well-logging tools in anisotropic formations with both radial and axial stratifications. The proposed technique allows to model problems not yet explored, but with a strong technological motivation, such as electromagnetic propagation along curved wells and drilling along inclined layers. We present a series of validation results showing that the novel technique introduced in this study can model accurately and efficiently electromagnetic logging sensors used in oil and gas exploration.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo abrangente sobre novas técnicas para modelagem de sensores eletromagnéticos usados na prospecção de petróleo. Estes sensores normalmente ficam imersos em formações geofísicas complexas (não homogêneas, dissipativas e anisotrópicas) com dimensões e parâmetros constitutivos do meio envolvendo múltiplas escalas, e isso representa um problema desafiador para as técnicas tradicionais de eletromagnetismo computacional. Nossa proposta supera esses problemas e contribui para uma melhor compreensão dos fenômenos eletromagnéticos físicos que ocorrem nessas estruturas. Analisamos o problema de propagação usando: a) uma técnica de onda completa baseada no método de casamento de modos, b) soluções perturbacionais para a equação integral de Fredholm vetorial baseadas na aproximação de Born, e c) métodos variacionais para o cálculo da impedância dos sensores eletromagnéticos de interesse para a exploração geofísica. Nós apresentamos resultados que demostram a capacidade das técnicas introduzidas nesta tese para modelar de forma acurada e eficiente sensores eletromagnéticos de forma mais realista do que as alternativas disponiveis na literatura. O custo computacional dos algoritmos desenvolvidos é relativamente baixo comparado com técnicas puramente numéricas tradicionais (tais como os métodos de elementos e diferenças finitas ou o método dos momentos). / [en] This work presents a comprehensive study on some techniques for modeling electromagnetic sensors used in well prospecting. These sensors are usually immersed in complex geophysical formations (inhomogeneous, dissipative, and anisotropic) with multiscale dimensions and constitutive parameters of the medium abruptly varying, resulting in a challenging problem for conventional computational electromagnetic techniques. Our proposal overcomes these problems and contributes to a better understanding of the physical electromagnetic phenomena that occur in these structures. We analyzed the propagation problem by using: a) a fullwave method based on the mode-matching technique, b) perturbational solutions for solving a Fredholm integral equation on the grounds of the Born approximation, and c) variational methods for calculating the sensor impedance. We present results that demonstrate the ability of the techniques introduced in this dissertation to accurately and efficiently modeling electromagnetic sensors in a more realistic fashion when compared with other methods available in the literature.The computational cost of the numerical algorithms developed in this work is relatively low if compared to that required in traditional techniques (such as finite elements, finite differences, and method of moments).