[pt] Células de medição (MCs) são amplamente utilizadas na engenharia de micro-ondas para a caracterização eletromagnética dos materiais. Neste trabalho, apresentamos uma formulação baseada na técnica de casamento de modos (MMT) para a caracterização eletromagnética de MCs para materiais anisotrópicos uniaxiais. Apresentamos e validamos uma técnica para modelagem de MCs com uma e duas portas por meio da de matrizes de espalhamento generalizadas (GSMs) extraídas do MMT. Uma vez que as soluções fechadas (isto é, não numéricas) são usadas para calcular as integrais de acoplamento das GSMs, a presente abordagem é uma alternativa computacionalmente eficiente para modelar MCs quando comparada às técnicas usuais de força bruta numérica (tais como soluções baseadas em elementos, volumes, ou diferenças finitas). Um algoritmo de inversão também é apresentado para recuperar os parâmetros constitutivos de meios complexos (materiais com perdas e anisotrópicos). Diferentemente da maioria dos trabalhos que utilizam métodos semi-analíticos, a novidade do presente método consiste em considerar MCs com seção transversal grande frente ao comprimento de onda, em vários modos podem ser progagantes. Apresentamos uma série de resultados numéricos que mostram que a técnica de inversão apresentada neste estudo pode recuperar adequadamente os parâmetros constitutivos de um material de amostra, uma vez que os parâmetros de espalhamento da MC são conhecidos. / [en] Measurement cells (MCs) are widely used in microwave engineering for the electromagnetic characterization of materials. In this work, we present a mode-matching technique (MMT) formulation for the electromagnetic characterization of MCs for uniaxial anisotropic materials. We present and validate a technique for modeling MCs with one- and two-ports via generalized scattering matrices (GSMs) extracted from the MMT. Since closed-form solutions are used for computing the coupling integrals of the GSMs, the present approach is a computationally-efficient alternative to modeling MCs when compared to usual brutal-force techniques (such as finite-elements, finitevolumes, and finite-difference solutions). An inverse algorithm is also presented to retrieve the constitutive parameters of complex media (lossy and anisotropic materials). Differently from the majority of the works using semi-analytical methods, the novelty of the present method rely on considering overmoded MCs. We present a series of numerical results that show that the inversion technique presented herein can properly retrieve the constitutive parameters of a sample material once the MC scattering parameters are known.

[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] As ferramentas de perfilagem eletromagnética para poços e túneis têm sido objeto de interesse da engenharia por muitas décadas devido às suas aplicações para a exploração de petróleo. A fim de obter uma avaliação precisa de uma formação geofísica, uma ampla variedade de métodos de eletromagnetismo computacional foi desenvolvida. O alto custo em termos de recursos computacionais para o procedimento da discretização espacial é um ponto negativo desses métodos tradicionais. Esta pesquisa tem como objetivo explorar novas abordagens semianalíticas para analisar a propagação de campos eletromagnéticos em meios anisotrópicos compreendendo camadas planares. Apresentaremos uma formulação matemática para os campos eletromagnéticos de uma fonte solenoidal em termos de um somatório de autofunções modais. O método proposto permite a análise de cenários geofísicos análogos aos do Pré-Sal brasileiro, onde rochas carbonáticas de alta condutividade são predominantes. Além disso, o efeito das formações do pré e pós-sal nas ondas eletromagnéticas pode ser facilmente incorporadas no nosso modelo. Apresentaremos resultados numéricos de validação, que demonstram o potencial da abordagem proposta neste trabalho para modelar sensores geofísicos de forma computacionalmente robusta e eficiente. / [en] Electromagnetic well-logging tools have been subject of interest for many decades due to their applications in oil exploration. In order to obtain accurate formation evaluation, a wide variety of numerical methods have been developed on Computational Electromagnetics. The high cost in terms of computational time and resources of these methods for the spatial discretization procedure is a negative point of these traditional methods. In this work, we will explore new semi-analytical approaches to analyze the propagation of electromagnetic fields in anisotropic media comprising planar layers. We will present a mathematical formulation for the electromagnetic fields due to a solenoid source in terms of a sum of modal eigenfunctions. The proposed method allows the analysis of geophysical scenarios similar to those of the Brazilian Pre-Salt, where high conductivity carbonate rocks are predominant. In addition, the effect of pre- and post-salt formations on electromagnetic waves can be easily incorporated into our model. We will present numerical validation results, which demonstrate the potential of the approach proposed in this work to model geophysical sensors in a computationally robust and efficient way.

[pt] Esta tese apresenta um estudo sobre métodos semianalíticos para modelagem de guias de ondas com contornos complexos. Os campos eletromagnéticos dentro de meios não homogêneos e anisotrópicos são resolvidos por meio de harmônicos cilíndricos como base para outras abordagens numéricas, como o método de perturbação regular (RPM), o método de perturbação de material em cavidade (CMPM) e o método de casamento de pontos (PMM). As novas soluções semianalíticas que exploramos aqui podem ser empregadas para a análise de comunicação sem fio ao longo de túneis, bem como para a modelagem de sensores realistas de perfilagem durante a perfuração em problemas geofísicos de baixa frequência. Estudamos o potencial do RPM ao combiná-lo com os princípios da transformação óptica (TO) para analisar um guia de onda coaxial excêntrico preenchido com materiais anisotrópicos. Além disso, estendemos o CMPM clássico proposto por Harrington para lidar com meios anisotrópicos para resolver os números de onda de corte dos campos modais no mesmo guia de onda de maneira aproximada, mas numericamente eficiente. Outra solução de perturbação é proposta combinando as correções de baixa ordem do RPM no CMPM para fornecer correções de alta ordem para os números de onda de corte dos modos suportados pelo guia. Uma formulação matemática de um método semianalítico baseado em PMM para resolver guias de onda preenchidos com meios anisotrópicos e com camadas arbitrárias também é apresentada. Uma versão melhorada deste método é introduzida para modelar estruturas guiadas cilíndricas de múltiplas camadas não circulares. Essas soluções baseadas em casamento de pontos representam boas alternativas para abordagens de força bruta, como métodos de elementos finitos e de diferenças finitas. / [en] This thesis presents a study on semi-analytic methods for modeling waveguides with complex-shaped boundaries. The electromagnetic fields inside inhomogeneous and anisotropic media are solved via cylindrical harmonics as a basis for other numerical approaches, including the regular perturbation method (RPM), the cavity-material perturbation method (CMPM), and the point-matching method (PMM). The novel semi-analytic solutions we have explored here can be employed for the analysis of wireless communication along tunnels and boreholes as well as for the modeling of realistic logging-whiledrilling (LWD) sensors and their environments at low-frequency geophysical problems. We studied the potential of the RPM when combining it with the transformation optics (TO) principles to analyze an eccentric coaxial waveguide filled with anisotropic materials. Furthermore, we have extended the classical CMPM proposed by Harrington to handling anisotropic media for solving the cutoff wavenumbers of the modal fields in the same eccentric coaxial waveguide in an approximated but numerically efficient manner. Another perturbation solution is proposed here and combines the low-order corrections from RPM into the CMPM for providing high-order corrections to the cutoff wavenumbers of the modes supported in this guide. A mathematical formulation of a semi-analytic point-matching method for solving more complex anisotropic-filled waveguides with an arbitrary number of layers is also presented. An improved version of this method is introduced for modeling noncircular multi-layered cylindrical guided structures. Such point-matching-based solutions represent good alternatives to brute-force approaches such as finiteelement and finite-difference methods and motivate further investigations. We present a series of validation results showing the accuracy, efficiency, and potential limitations of the explored methods.