Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O processo de recuperação secundária de petróleo é comumente realizado com a injeção de água no reservatório a fim de manter a pressão necessária para sua extração. Para que o investimento seja viável, os gastos com a extração têm de ser menores do que o retorno financeiro obtido com o petróleo. Para tanto, tornam-se extremamente importantes as simulações dos processos de extração. Neste trabalho são estudados os problemas de Burgers e de Buckley-Leverett visando o escoamento imiscível água-óleo em meios porosos, onde o escoamento é incompressível e os efeitos difusivos (devido à pressão capilar) são desprezados. Com o objetivo de incorporar conhecimento matemático mais avançado, para em seguida utilizá-lo no entendimento do problema estudado, abordou-se com razoável profundidade a teoria das leis de conservação. Foram consideradas soluções fracas que, fisicamente, podem ser interpretadas como ondas de choque ou rarefações, então, para que fossem distinguidas as fisicamente admissíveis, foi utilizado o princípio de entropia, nas suas diversas formas. Inicialmente consideramos alguns exemplos clássicos de métodos numéricos para uma lei de conservação escalar, os quais podem ser vistos como esquemas conservativos de três pontos. Entre eles, o método de Lax-Friedrichs (LF) e o método de Lax-Wendroff (LW). Em seguida, um esquema composto foi testado, o qual inclui na sua formulação os métodos LF e LW (chamado de LWLF-4). Respeitando a condição CFL, foram obtidas soluções numéricas de todos os problemas tratados aqui. Com o objetivo de validar tais soluções, foram utilizadas soluções analíticas oriundas dos problemas de Burgers e Buckley- Leverett. Também foi feita uma comparação com os métodos do tipo TVDs com limitadores de fluxo, obtendo resultado satisfatório. Vale à pena ressaltar que o esquema LWLF-4, pelo que nos consta, nunca foi antes utilizado nas resoluções das equações de Burgers e Buckley- Leverett. / The secondary recovery of petroleum is usually performed with injection of water through an oil reservoir to keep the oil pressure for the exploration. In order to make the exploration profitable, the extraction cost must be less than the financial return, which means that the simulation of the exploration process is extremely relevant. In this work, the Burgers- and- Buckley-Leverett problems are studied seeking a two-phase displacement in porous media. The flow is considered incompressible and capillary effects are ignored. In order to analyze the problem, it was necessary to use the theory of conservation law in a spatial variable. Weak solutions, which can be understood as shock or rarefaction waves, are studied with the entropy condition, so that only the physically correct solutions are considered. Some classical numerical methods, which can be seen as conservative schemes of three points, are studied, among them the Lax-Friedrichs (LF) and Lax-Wendroff (LW) methods. A composite scheme, called LWLF-k, is tested using LF and LW methods, being respected the CFL condition, with satisfactory results. In order to validate the numerical schemes, we consider analytical solutions of the Burgers-and-Buckley-Leverett equations. Was also made a comparison with TVDs methods with flux limiters, obtaining satisfactory results. We emphasize that to the best of our knowledge, the LWLF-4 scheme has never been used to solve the Buckley-Leverett equation.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O processo de recuperação secundária de petróleo é comumente realizado com a injeção de água ou gás no reservatório a fim de manter a pressão necessária para sua extração. Para que o investimento seja viável, os gastos com a extração precisam ser menores do que o retorno financeiro obtido com a produção de petróleo. Objetivando-se estudar possíveis cenários para o processo de exploração, costuma-se utilizar simulações dos processos de extração. As equações que modelam esse processo de recuperação são de caráter hiperbólico e não lineares, as quais podem ser interpretadas como Leis de Conservação, cujas soluções são complexas por suas naturezas descontínuas. Essas descontinuidades ou saltos são conhecidas como ondas de choque. Neste trabalho foi abordada uma análise matemática para os fenômenos oriundos de leis de conservação, para em seguida utilizá-la no entendimento do referido problema. Foram estudadas soluções fracas que, fisicamente, podem ser interpretadas como ondas de choque ou rarefação, então, para que fossem distinguidas as fisicamente admissíveis, foi considerado o princípio de entropia, nas suas diversas formas. As simulações foram realizadas nos âmbitos dos escoamentos bifásicos e trifásicos, em que os fluidos são imiscíveis e os efeitos gravitacionais e difusivos, devido à pressão capilar, foram desprezados. Inicialmente, foi feito um estudo comparativo de resoluções numéricas na captura de ondas de choque em escoamento bifásico água-óleo. Neste estudo destacam-se o método Composto LWLF-k, o esquema NonStandard e a introdução da nova função de renormalização para o esquema NonStandard, onde obteve resultados satisfatórios, principalmente em regiões onde a viscosidade do óleo é muito maior do que a viscosidade da água. No escoamento bidimensional, um novo método é proposto, partindo de uma generalização do esquema NonStandard unidimensional. Por fim, é feita uma adaptação dos métodos LWLF-4 e NonStandard para a simulação em escoamentos trifásicos em domínios unidimensional. O esquema NonStandard foi considerado mais eficiente nos problemas abordados, uma vez que sua versão bidimensional mostrou-se satisfatória na captura de ondas de choque em escoamentos bifásicos em meios porosos. / The process of secondary oil recovery is commonly accomplished by injecting water or gas into the reservoir to maintain the necessary pressure for their extraction. So that the investment is viable spending extraction must be smaller than the financial return to oil production. Aiming to study possible scenarios for the exploration process, it is customary to use simulations of extraction processes. The equations that model this process of recovery are hyperbolic and nonlinear, which can be interpreted as Conservation Laws , whose solutions are complex by their discontinuous nature . These discontinuities or jumps are known as shock waves. Due to this importance, this work will be discussed a mathematical analysis of the phenomena arising from conservation laws, to then use it in the understanding of this problem. Weak solutions that physically can be interpreted as shock waves or rarefaction, so that they might be distinguished physically admissible were studied, was considered the principle of entropy, in its various forms. The simulations were performed in the fields of two-phase and three-phase flow, in which the fluids are immiscible and gravitational and diffusive effects due to capillary pressure, were discarded. Initially a comparative study of numerical resolutions in the capture of shock waves in water-oil two-phase flow was made. This study highlights LWLF k Composite method and Nonstandard. Was also presented a new renormalization function for nonstandard scheme with satisfactory results, especially in regions where the oil viscosity is much higher than the viscosity of the water. In twodimensional flow, a new method will be presented. The same is a generalization of onedimensional nonstandard schema. Finally, the adaptation of nonstandard and LWLF-4 methods for simulating in three-phase one-dimensional flows. In general, the nonstandard scheme was considered the most efficient method in problems addressed, since its twodimensional version was satisfactory in capturing shock waves in two-phase flow in porous media.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho apresenta uma família de novos métodos numéricos euleriano-lagrangeanos localmente conservativos para leis de conservação hiperbólicas escalares. Estes métodos não utilizam soluções analíticas de problemas de Riemann e são bastante precisos na captura de saltos nas soluções. Estes métodos foram introduzidos, implementados computacionalmente e testados para leis de conservação em uma e duas dimensões espaciais. Foram consideradas as equações de Burgers e Buckley-Leverett. Nossos experimentos numéricos indicaram que os métodos são pouco difusivos e que as soluções não apresentam oscilações espúrias.

Técnicas de injeção de traçadores são bastante utilizadas nos estudos de escoamentos em meios porosos heterogêneos, principalmente em problemas relacionados à simulação numérica de escoamentos miscíveis em reservatórios de petróleo e à dispersão de contaminantes em aqüíferos. Neste trabalho apresentamos novos algoritmos para a aproximação numérica do problema de injeção de traçadores. Apresentaremos desenvolvimentos recentes do método Forward Integral-Tube Tracking (FIT) que foi originalmente apresentado em Aquino et al. (2007a). O FIT é um método lagrangeano localmente conservativo utilizado na resolução de problemas de transporte linear. Este método não faz o uso de soluções de problemas de Riemann e baseia-se na construção dos tubos integrais introduzidas em Douglas Jr. et al. (2000b). Além disso, ele possui excelente eficiência computacional e é virtualmente livre de difusão numérica. Resultados numéricos são apresentados com o objetivo de comparar a precisão das soluções fornecidas por novas implementações do método FIT na resolução do problema do traçador em reservatórios de petróleo. / The injection of tracers are used in the investigation of flows in heterogeneous porous media, in studies related to the simulation of miscible dispacements in petroleum reservoirs and the dispersion of contaminants in aquifers. In this work we present new algorithms for the numerical approximation of tracer injection problems. We discuss recent developments of the Forward Integral-Tube Tracking (FIT) scheme which was introduced in Aquino et al. (2007a). The FIT is a locally conservative lagrangian scheme for the approximation of the linear transport problems. This scheme does not use analytic solutions of Riemann problems and is based on the construction of the integral tubes introduced in Douglas Jr. et al. (2000b). The FIT scheme is computationally very eficient and is virtually free of numerical diffusion. Numerical results are presented to compare the accuracy of the solutions provided by new implementation of the FIT scheme for the injection of tracers in petroleum reservoirs.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O processo de recuperação secundária de petróleo é comumente realizado com a injeção de água no reservatório a fim de manter a pressão necessária para sua extração. Para que o investimento seja viável, os gastos com a extração têm de ser menores do que o retorno financeiro obtido com o petróleo. Para tanto, tornam-se extremamente importantes as simulações dos processos de extração. Neste trabalho são estudados os problemas de Burgers e de Buckley-Leverett visando o escoamento imiscível água-óleo em meios porosos, onde o escoamento é incompressível e os efeitos difusivos (devido à pressão capilar) são desprezados. Com o objetivo de incorporar conhecimento matemático mais avançado, para em seguida utilizá-lo no entendimento do problema estudado, abordou-se com razoável profundidade a teoria das leis de conservação. Foram consideradas soluções fracas que, fisicamente, podem ser interpretadas como ondas de choque ou rarefações, então, para que fossem distinguidas as fisicamente admissíveis, foi utilizado o princípio de entropia, nas suas diversas formas. Inicialmente consideramos alguns exemplos clássicos de métodos numéricos para uma lei de conservação escalar, os quais podem ser vistos como esquemas conservativos de três pontos. Entre eles, o método de Lax-Friedrichs (LF) e o método de Lax-Wendroff (LW). Em seguida, um esquema composto foi testado, o qual inclui na sua formulação os métodos LF e LW (chamado de LWLF-4). Respeitando a condição CFL, foram obtidas soluções numéricas de todos os problemas tratados aqui. Com o objetivo de validar tais soluções, foram utilizadas soluções analíticas oriundas dos problemas de Burgers e Buckley- Leverett. Também foi feita uma comparação com os métodos do tipo TVDs com limitadores de fluxo, obtendo resultado satisfatório. Vale à pena ressaltar que o esquema LWLF-4, pelo que nos consta, nunca foi antes utilizado nas resoluções das equações de Burgers e Buckley- Leverett. / The secondary recovery of petroleum is usually performed with injection of water through an oil reservoir to keep the oil pressure for the exploration. In order to make the exploration profitable, the extraction cost must be less than the financial return, which means that the simulation of the exploration process is extremely relevant. In this work, the Burgers- and- Buckley-Leverett problems are studied seeking a two-phase displacement in porous media. The flow is considered incompressible and capillary effects are ignored. In order to analyze the problem, it was necessary to use the theory of conservation law in a spatial variable. Weak solutions, which can be understood as shock or rarefaction waves, are studied with the entropy condition, so that only the physically correct solutions are considered. Some classical numerical methods, which can be seen as conservative schemes of three points, are studied, among them the Lax-Friedrichs (LF) and Lax-Wendroff (LW) methods. A composite scheme, called LWLF-k, is tested using LF and LW methods, being respected the CFL condition, with satisfactory results. In order to validate the numerical schemes, we consider analytical solutions of the Burgers-and-Buckley-Leverett equations. Was also made a comparison with TVDs methods with flux limiters, obtaining satisfactory results. We emphasize that to the best of our knowledge, the LWLF-4 scheme has never been used to solve the Buckley-Leverett equation.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O processo de recuperação secundária de petróleo é comumente realizado com a injeção de água ou gás no reservatório a fim de manter a pressão necessária para sua extração. Para que o investimento seja viável, os gastos com a extração precisam ser menores do que o retorno financeiro obtido com a produção de petróleo. Objetivando-se estudar possíveis cenários para o processo de exploração, costuma-se utilizar simulações dos processos de extração. As equações que modelam esse processo de recuperação são de caráter hiperbólico e não lineares, as quais podem ser interpretadas como Leis de Conservação, cujas soluções são complexas por suas naturezas descontínuas. Essas descontinuidades ou saltos são conhecidas como ondas de choque. Neste trabalho foi abordada uma análise matemática para os fenômenos oriundos de leis de conservação, para em seguida utilizá-la no entendimento do referido problema. Foram estudadas soluções fracas que, fisicamente, podem ser interpretadas como ondas de choque ou rarefação, então, para que fossem distinguidas as fisicamente admissíveis, foi considerado o princípio de entropia, nas suas diversas formas. As simulações foram realizadas nos âmbitos dos escoamentos bifásicos e trifásicos, em que os fluidos são imiscíveis e os efeitos gravitacionais e difusivos, devido à pressão capilar, foram desprezados. Inicialmente, foi feito um estudo comparativo de resoluções numéricas na captura de ondas de choque em escoamento bifásico água-óleo. Neste estudo destacam-se o método Composto LWLF-k, o esquema NonStandard e a introdução da nova função de renormalização para o esquema NonStandard, onde obteve resultados satisfatórios, principalmente em regiões onde a viscosidade do óleo é muito maior do que a viscosidade da água. No escoamento bidimensional, um novo método é proposto, partindo de uma generalização do esquema NonStandard unidimensional. Por fim, é feita uma adaptação dos métodos LWLF-4 e NonStandard para a simulação em escoamentos trifásicos em domínios unidimensional. O esquema NonStandard foi considerado mais eficiente nos problemas abordados, uma vez que sua versão bidimensional mostrou-se satisfatória na captura de ondas de choque em escoamentos bifásicos em meios porosos. / The process of secondary oil recovery is commonly accomplished by injecting water or gas into the reservoir to maintain the necessary pressure for their extraction. So that the investment is viable spending extraction must be smaller than the financial return to oil production. Aiming to study possible scenarios for the exploration process, it is customary to use simulations of extraction processes. The equations that model this process of recovery are hyperbolic and nonlinear, which can be interpreted as Conservation Laws , whose solutions are complex by their discontinuous nature . These discontinuities or jumps are known as shock waves. Due to this importance, this work will be discussed a mathematical analysis of the phenomena arising from conservation laws, to then use it in the understanding of this problem. Weak solutions that physically can be interpreted as shock waves or rarefaction, so that they might be distinguished physically admissible were studied, was considered the principle of entropy, in its various forms. The simulations were performed in the fields of two-phase and three-phase flow, in which the fluids are immiscible and gravitational and diffusive effects due to capillary pressure, were discarded. Initially a comparative study of numerical resolutions in the capture of shock waves in water-oil two-phase flow was made. This study highlights LWLF k Composite method and Nonstandard. Was also presented a new renormalization function for nonstandard scheme with satisfactory results, especially in regions where the oil viscosity is much higher than the viscosity of the water. In twodimensional flow, a new method will be presented. The same is a generalization of onedimensional nonstandard schema. Finally, the adaptation of nonstandard and LWLF-4 methods for simulating in three-phase one-dimensional flows. In general, the nonstandard scheme was considered the most efficient method in problems addressed, since its twodimensional version was satisfactory in capturing shock waves in two-phase flow in porous media.

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.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Considera-se neste trabalho um modelo matemático para escoamentos com duas e três fases em reservatórios petrolíferos e a modelagem computacional do sistema de equações governantes para a sua solução numérica. Os fluidos são imiscíveis e incompressíveis e as heterogeneidades da rocha reservatório são modeladas estocasticamente. Além disso, é modelado o fenômeno de histerese para a fase óleo via funções de permeabilidades relativas. No caso de escoamentos trifásicos água-óleo-gás a escolha de expressões gerais para as funções de permeabilidades relativas pode levar à perda de hiperbolicidade estrita 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 conseqüência, a perda de hiperbolicidade estrita pode levar à existência de choques não clássicos (também chamados de choques transicionais ou choques subcompressivos) nas soluções de escoamentos trifásicos, de difícil simulação numérica. Indica-se um método numérico com passo de tempo fracionário, baseado em uma técnica de decomposição de operadores, para a solução numérica do sistema governante de equações diferenciais parciais que modela o escoamento bifásico água-óleo imiscível em reservatórios de petróleo heterogêneos. Um simulador numérico bifásico água-óleo eficiente desenvolvido pelo grupo de pesquisa no qual o autor está inserido foi modificado com sucesso para incorporar a histerese sob as hipóteses consideradas. Os resultados numéricos obtidos para este caso indicam fortes evidências que o método proposto pode ser estendido para o caso trifásico água-óleo-gás. A técnica de decomposição de operadores em dois níveis permite o uso de passos de tempo distintos para os quatro problemas definidos pelo procedimento de decomposição: convecção, difusão, pressão-velocidade e relaxação para histerese. O problema de transporte convectivo (hiperbólico) 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 dos problemas de transporte difusivo (parabólico) e de pressão-velocidade (elíptico). O operador temporal associado ao problema parabólico de difusão é resolvido fazendo-se uso de uma estratégia implícita de solução (Backward Euler). Uma equação diferencial ordinária é resolvida (analiticamente) para a relaxação relacionada à histerese. Resultados numéricos para o problema bifásico água-óleo em uma dimensão espacial em concordância com resultados semi-analíticos disponíveis na literatura foram reproduzidos e novos resultados em meios heterogêneos, em duas dimensões espaciais, são apresentados e a extensão desta técnica para o caso de problemas trifásicos água-óleo-gás é proposta. / We consider in this work a mathematical model for two- and three-phase flow problems in petroleum reservoirs and the computational modeling of the governing equations for its numerical solution. We consider two- (water-oil) and three-phase (water-gas-oil) incompressible, immiscible flow problems and the reservoir rock is considered to be heterogeneous. In our model, we also take into account the hysteresis effects in the oil relative permeability functions. In the case of three-phase flow, 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 or umbilic points for the system 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. 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 two-phase, immiscible water-oil flow problems in heterogeneous petroleum reservoirs. An efficient two-phase water-oil numerical simulator developed by our research group was sucessfuly extended to take into account hysteresis effects under the hypotesis previously annouced. The numerical results obtained by the procedure proposed indicate numerical evidence the method at hand can be extended for the case of related three-phase water-gas-oil flow problems. A two-level operator splitting technique allows for the use of distinct time steps for the four problems defined by the splitting procedure: convection, diffusion, pressure-velocity and relaxation for hysteresis. The convective transport (hyperbolic) 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 diffusive transport (parabolic) and the pressure-velocity (elliptic) problems. The time discretization of the parabolic problem is performed by means of the implicit Backward Euler method. An ordinary diferential equation is solved (analytically) for the relaxation related to hysteresis. Two-phase water-oil numerical results in one space dimensional, in which are in a very good agreement with semi-analitycal results available in the literature, were computationaly reproduced and new numerical results in two dimensional heterogeneous media are also presented and the extension of this technique to the case of three-phase water-oil-gas flows problems is proposed.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Considera-se neste trabalho um modelo matemático para escoamentos com duas e três fases em reservatórios petrolíferos e a modelagem computacional do sistema de equações governantes para a sua solução numérica. Os fluidos são imiscíveis e incompressíveis e as heterogeneidades da rocha reservatório são modeladas estocasticamente. Além disso, é modelado o fenômeno de histerese para a fase óleo via funções de permeabilidades relativas. No caso de escoamentos trifásicos água-óleo-gás a escolha de expressões gerais para as funções de permeabilidades relativas pode levar à perda de hiperbolicidade estrita 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 conseqüência, a perda de hiperbolicidade estrita pode levar à existência de choques não clássicos (também chamados de choques transicionais ou choques subcompressivos) nas soluções de escoamentos trifásicos, de difícil simulação numérica. Indica-se um método numérico com passo de tempo fracionário, baseado em uma técnica de decomposição de operadores, para a solução numérica do sistema governante de equações diferenciais parciais que modela o escoamento bifásico água-óleo imiscível em reservatórios de petróleo heterogêneos. Um simulador numérico bifásico água-óleo eficiente desenvolvido pelo grupo de pesquisa no qual o autor está inserido foi modificado com sucesso para incorporar a histerese sob as hipóteses consideradas. Os resultados numéricos obtidos para este caso indicam fortes evidências que o método proposto pode ser estendido para o caso trifásico água-óleo-gás. A técnica de decomposição de operadores em dois níveis permite o uso de passos de tempo distintos para os quatro problemas definidos pelo procedimento de decomposição: convecção, difusão, pressão-velocidade e relaxação para histerese. O problema de transporte convectivo (hiperbólico) 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 dos problemas de transporte difusivo (parabólico) e de pressão-velocidade (elíptico). O operador temporal associado ao problema parabólico de difusão é resolvido fazendo-se uso de uma estratégia implícita de solução (Backward Euler). Uma equação diferencial ordinária é resolvida (analiticamente) para a relaxação relacionada à histerese. Resultados numéricos para o problema bifásico água-óleo em uma dimensão espacial em concordância com resultados semi-analíticos disponíveis na literatura foram reproduzidos e novos resultados em meios heterogêneos, em duas dimensões espaciais, são apresentados e a extensão desta técnica para o caso de problemas trifásicos água-óleo-gás é proposta. / We consider in this work a mathematical model for two- and three-phase flow problems in petroleum reservoirs and the computational modeling of the governing equations for its numerical solution. We consider two- (water-oil) and three-phase (water-gas-oil) incompressible, immiscible flow problems and the reservoir rock is considered to be heterogeneous. In our model, we also take into account the hysteresis effects in the oil relative permeability functions. In the case of three-phase flow, 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 or umbilic points for the system 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. 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 two-phase, immiscible water-oil flow problems in heterogeneous petroleum reservoirs. An efficient two-phase water-oil numerical simulator developed by our research group was sucessfuly extended to take into account hysteresis effects under the hypotesis previously annouced. The numerical results obtained by the procedure proposed indicate numerical evidence the method at hand can be extended for the case of related three-phase water-gas-oil flow problems. A two-level operator splitting technique allows for the use of distinct time steps for the four problems defined by the splitting procedure: convection, diffusion, pressure-velocity and relaxation for hysteresis. The convective transport (hyperbolic) 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 diffusive transport (parabolic) and the pressure-velocity (elliptic) problems. The time discretization of the parabolic problem is performed by means of the implicit Backward Euler method. An ordinary diferential equation is solved (analytically) for the relaxation related to hysteresis. Two-phase water-oil numerical results in one space dimensional, in which are in a very good agreement with semi-analitycal results available in the literature, were computationaly reproduced and new numerical results in two dimensional heterogeneous media are also presented and the extension of this technique to the case of three-phase water-oil-gas flows problems is proposed.