丛式水平井具有水平井和丛式井的双重特征,是高效开发页岩气田的先进井型。丛式水平井井眼轨道优化设计,是页岩气工程中不可或缺的主要技术内容之一,仍有必要进行深入研究。丛式水平井的单井井型多为三维水平井,属于复杂结构井的范畴,三维待钻轨道设计是复杂结构井轨道设计中的一项重要内容。在进行连通井待钻轨道设计时,根据是否限定连通点的井眼方向,分别对连通过程中的“单向待钻轨道设计”和“双向待钻轨道设计”进行了研究。运用矢量代数法和最小曲率法,建立了不同已知参数组合下的连通井三维待钻轨道设计计算方程;拓展了靶区几何形状,建立了定向井着陆到复杂构造的轨道设计计算方程;结合工具面角的矢量表达式推导出了定向井到邻井以及着陆面最近距离的计算公式。在连通井双向待钻轨道设计方程组求解中,应用拟解析解理论,避免了求解复杂的非线性方程组,使计算更加高效。针对不同的纠偏目标段建立了纠偏轨道设计方程组,以轨道总长度、轨迹符合率和轨道复杂度作为优化目标函数建立了纠偏轨道多目标优化模型。算例分析表明选用最大井眼曲率进行设计时,轨道总长度最短且轨迹符合率最高,而设计水平位移最大时纠偏轨道的复杂度最小。针对丛式井侧钻绕障水平井轨道设计,综合考虑了轨道长度、轨道复杂度和中靶精度作为优化目标函数并将邻井防碰作为约束条件,根据不同的绕障类型建立了侧钻绕障轨道最优化设计模型。在现有的平台位置优化模型的基础上,考虑了“井工厂”模式下的钻井学习效应,建立了“井工厂”模式下丛式水平井平台位置最优化模型。工程实例分析表明,考虑钻井学习效应的平台位置优化模型,可望增加每个平台的钻井数量,从而减少平台的个数,更有利于应用“井工厂”作业模式以降低工程费用。在地面条件受限的情况下,在同一平台同时部署鱼钩型水平井和大位移水平井,可以进一步提高“井工厂”作业效率,有效降低总建井费用。