[pt] O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de modelos computacionais para analisar a resposta eletromagnética de ferramentas de perfilagem LWD/MWD em formações geofísicas arbitrárias. Essa modelagem envolve a determinação precisa de campos eletromagnéticos em regiões tridimensionais (3D) complexas e, conseqüentemente, a solução de sistemas lineares não-hermitianos de larga escala. A modelagem numérica é realizada através da aplicação do método dos volumes finitos (FVM) no domínio da freqüência. Desenvolvem-se dois modelos computacionais, o primeiro válido em regiões isotrópicas e o segundo considerando a presença de anisotropias no meio. As equações de Maxwell são resolvidas através de duas formulações distintas: formulação por campos e formulação por potenciais vetor e escalar. A discretização por volumes finitos utiliza um esquema de grades entrelaçadas em coordenadas cilíndricas para evitar erros de aproximação de escada da geometria da ferramenta. Os modelos desenvolvidos incorporam quatro técnicas numéricas para aumentar a eficiência computacional e a precisão do método. As formulações por campos e por potenciais vetor e escalar são comparadas em termos da taxa de convergência e do tempo de processamento em cenários tridimensionais. Os modelos foram validados e testados em cenários tridimensionais complexos, tais como: (i) poços horizontais ou direcionais; (ii) formações não homogêneas com invasões de fluído de perfuração; (iii) formações anisotrópicas e (iv) poços excêntricos. Motivado pela flexibilidade dos modelos e pelos resultados numéricos obtidos em diferentes cenários tridimensionais, estende-se a metodologia para analisar a resposta de ferramentas LWD que empregam antenas inclinadas em relação ao eixo da ferramenta. Tais ferramentas podem prover dados com sensibilidade azimutal, assim como estimativas da anisotropia da formação, auxiliando o geodirecionamento de poços direcionais e horizontais. / [en] The main objective of this work is to develop computational models to analyze electromagnetic logging-while-drilling tool response in arbitrary geophysical formations. This modeling requires the determination of electromagnetic fields in three- dimensional (3-D) complex regions and consequently, the solution of large scale non-hermitian systems. The numerical modeling is done by using Finite Volume Methods (FVM) in the frequency domain. Both isotropic and anisotropic models are developed. Maxwell's equations are solved by using both the field formulation and the coupled vector-scalar potentials formulation. The proposed FVM technique utilizes an edge-based staggered-grid scheme in cylindrical coordinates to avoid staircasing errors on the tool geometry. Four numerical techniques are incorporated in the models in order to increase the computational efficiency and the accuracy of the method. The field formulation and the coupled vector-scalar potentials formulation are compared in terms of their accuracy, convergence rate, and CPU time for three-dimensional environments. The models were validated and tested in 3-D complex environments, such as:(i) horizontal and directional boreholes; (ii) multilayered geophysical formations including mud-filtrate invasions; (iii) anisotropic formations and (iv)eccentric boreholes. The methodology is extended to analyze LWD tools that are constructed with the transmitters and/or receivers tilted with respect to the axis of the drill collar. Such tools can provide improved anisotropy measurements and azimuthal sensitivity to benefit geosteering.

[pt] Este trabalho apresenta uma abordagem inovadora para calcular autopares de operadores diferenciais (OD), utilizando programação genética (PG) e computação simbólica. Na literatura atual, o Método dos Elementos Finitos (MEF) e o Método das Diferenças Finitas (MDF) são os mais utilizados. Tais métodos usam discretização para converter o OD em uma matriz finita e, por isso, apresentam limitações como perda de acurácia e presença de soluções espúrias. Além disso, se o domínio do OD fosse alterado, os autopares precisariam ser calculados novamente, pois a representação matricial do operador depende dos parâmetros do problema. Nesse contexto, este trabalho propõe evoluir autofunções analiticamente usando PG, sem discretização do domínio. Com isso, é possível incorporar parâmetros, o que torna a solução obtida válida para uma classe de problemas. Este texto descreve o modelo para OD normais, aplicando conceitos de indivíduos multi-árvore e diferenciação simbólica. O modelo evolui auto-funções e, a partir delas, calcula os autovalores empregando a razão de Rayleigh. Experimentos baseados em aplicações da Física mostram que a técnica proposta é capaz de encontrar as autofunções analíticas com a acurácia igual ou melhor que as técnicas numéricas supracitadas. Finalmente, a técnica proposta é aplicada ao problema de propagação de ondas eletromagnéticas em poços de petróleo em ULF e UHF. As soluções analíticas são dadas em função do diâmetro e do percentual de incrustações no poço. Os resultados mostram que, para um conjunto suficientemente grande de valores distintos dos parâmetros, a técnica apresenta tempo de execução inferior às técnicas clássicas, mantendo a acurácia destas. / [en] This work presents an innovative approach to calculate the eigenpairs of linear differential operators (LDO), employing genetic programming (GP) and symbolic computation. In the current literature, the Finite Element Method (FEM) and the Finite Difference Method (FDM) are more commonly used. Such methods use discretization to convert the LDO to a finite matrix, therefore causing loss of accuracy and presence of spurious solutions. Additionally, if the domain of the LDO was changed, the eigenpairs would need to be recalculated, since the matrix representation of the LDO depends on the parameters of the problem. In this context, this work proposes to evolve eigenfunctions analytically using GP, without domain discretization. Hence, it is possible to incorporate the parameter, which makes a obtained solution valid for a class of problems. This text describes the model for normal LDO, applying concepts of multi-tree individuals and symbolic differentiation. The presented model evolves eigenfunctions and, then, calculates the eigenvalues using the Rayleigh quotient. Experiments based on Physics problems show that the proposed technique is able to find the analytical eigenfunctions with the same accuracy of the numerical techniques mentioned above. Finally, the proposed technique is applied to the problem of propagation of electromagnetic waves in oil wells in ULF and UHF. The analytical solutions are given as a function of the diameter and percentage of CaCO in the well. The results show that, for a sufficiently large set of distinct values of the parameters, the technique presents execution time inferior to the FEM, while maintaining its accuracy.

[pt] Plasma é um dos quatro estados fundamentais da matéria, presente em forma natural na Terra na ionosfera, em relâmpagos e nas chamas resultantes de combustão, assim como em forma artificial em lâmpadas de neônio, lâmpadas fluorescentes e processos industriais. O comportamento de plasmas é extraordinariamente complexo e variado, como por exemplo a formação espontânea de características espaciais interessantes em variadas escalas diferentes de comprimento. Uma antena de plasma, por sua vez, é uma estrutura radiante baseada em um elemento de plasma em vez de um condutor metálico, o que gera diversas vantagens e características úteis de um ponto de vista tecnológico. Nesse presente trabalho, uma investigação da propagação eletromagnética dentro de estruturas de plasma é realizada através de métodos teóricos e numéricos como um primeiro passo em direção ao desenvolvimento de modelos apropriados para o estudo de antenas de plasma. / [en] Plasma is one of the four fundamental states of matter, present on Earth in natural form at the ionosphere, in lightning strikes and in the flames resulting from combustion, as well as in artificial form in neon signs, fluorescent light bulbs and industrial processes. Plasma behaviour is extraordinarily complex and varied, e.g. the spontaneous formation of interesting spatial features over a wide range of length scales. A plasma antenna, on the other hand, is a radiating structure based in a plasma element instead of a metallic conductor, which creates several technological advantages and useful characteristics. In this present work, an investigation of electromagnetic propagation inside of plasma structures is performed through both theoretical and numerical means as a first step towards constructing appropriate models for the study of plasma antennas.