[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.