数学规划是运筹学的一个重要分支，并已被广泛应用到各种领域。本文较为全面地阐述了数学规划所涵概的各种经典规划理论以及近期研究状况和代表解法；并简要介绍油井轨道最优控制理论的工程背景和研究意义。通过引入多元函数极值理论、求解复杂极值问题的HookeJeeves模式搜索法及一种较为新颖和高效的试验点选择方法：均匀设计法，建立以最短油井轨迹曲线长为目标的二维油井轨道优化设计模型，并对影响井轨迹曲线的参数进行了较为详细的分析。 考虑到工程上对油井轨道剖面类型(直线圆弧组合)的描述多达十余种，以及实际施工时油井轨道不仅需要满足最优化条件，还要适应地质、地层和绕障等要求，因此存在井轨道剖面类型的选择问题。本文在二维油井轨道优化设计的基础上，建立了考虑剖面类型选择和剖面设计最优化在内的综合数学规划模型：归一化设计模型。 作为油井轨道优化设计的主要研究方向，三维优化设计有着先天的优势和难度。本文讨论了目前工程上使用的各种三维设计方法的优劣与不同，引入一种较为新颖的三维设计方法：方位比较法。最后讨论了油井轨道三维优化设计方法，并给出了三维优化设计模型及相关结论。