随着复杂结构井钻、完井技术日趋完善，利用复杂结构井开发低渗透油田和海洋油气资源已成为石油工程师的共识。井眼轨道设计是复杂结构井钻井过程中的首要问题，常规的轨道设计主要基于试算法，即先假定部分设计参数已知，进而求得未知设计参数。这种方法依赖于设计者的经验和直觉，设计出来的井眼轨道往往不是一条最优轨道。因此，在满足中靶精度、工程要求和地质要求的前提下，如何合理的选择设计变量，设计出一条井迹长度最短的轨道对于节约钻井成本、提高钻进效率具有重要意义。本文详细研究了二维及三维井眼轨道的设计模型，根据不同的已知设计参数，给出了各种未知设计参数组合的井眼轨道求解表达式，着重讨论了多目标井靶区轨道设计方法及参数计算、待钻轨道设计模型及参数求解等问题。其次，以最优化理论为基础，以设计井深最短为优化目标函数，以工具造斜率、造斜点垂深、井斜角、方位角为优化设计变量，以中靶精度、地层条件、设计变量边界等为约束条件，建立了井眼轨道最优化设计模型。在最优化设计模型及待钻轨道设计模型求解上，应用了遗传算法进行求解，经过实例计算验证了设计模型的合理性、准确性，从而克服了迭代求解方法存在的选取不同的初值和步长导致计算结果不同、易陷入局部收敛等问题。最后，在之前理论研究基础上，结合计算机相关技术开发了井眼轨道优化设计软件，该软件在输入钻井约束条件的前提下，可设计出一条最优轨道，并计算出井眼轨道的各个关键参数，可作为进行井眼轨道设计的辅助工具。