A indústria de petróleo no Brasil ganhou um novo dinamismo com a recente descoberta de grandes reservas petrolíferas em águas profundas. No horizonte 2011-2015 são previstos inúmeros investimentos na cadeia produtiva de petróleo para suportar a dimensão desta nova operação. Diante deste contexto, o apoio à tomada de decisões de investimento na cadeia logística downstream da indústria de petróleo ganha particular importância e o uso de um instrumento de análise que comporte sua complexidade passa a ser fundamental. Dessa forma, a presente dissertação propõe um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que foi desenvolvido para permitir a avaliação de diferentes alternativas de investimento na rede logística existente, sejam elas em expansão das capacidades de transporte, de movimentação, de atracação ou de estocagem. Estas funcionalidades do modelo foram avaliadas através de dois estudos de caso que fazem uso de dados reais da malha logística brasileira de petróleo e derivados. O primeiro estudo avalia a viabilidade do projeto de ampliação de trechos de um duto que abastece diversas bases de distribuição e expõe a interdependência no investimento em cada um deles. Já o segundo avalia as sinergias nos projetos de ampliação da capacidade de movimentação em um terminal marítimo e de aumento da capacidade de transporte do duto que liga este a uma base de distribuição. Em ambos os estudos foi realizada uma análise de sensibilidade do Valor Presente Líquido do projeto em relação ao seu custo de investimento, permitindo fundamentar a escolha do decisor.