为了保障我国资源能源供给,扩展地质找矿新领域,推动地质钻探科技创新是关键。面对复杂地质环境,钻进轨迹优化对于实现高效、安全钻进具有重要意义。本文针对复杂地质钻进过程,考虑地层特征与钻进轨迹几何特征,面向地质钻进轨迹多目标优化问题中的非线性约束与参数不确定性,设计钻进轨迹优化方案,分别从考虑井壁稳定性、实钻轨迹不确定性和多目标多约束三个方面研究轨迹优化模型与多目标进化算法。论文主要研究内容和创新工作如下:（1）面向高效安全地质钻进过程的轨迹优化方案为保证钻进方向符合井壁稳定性条件,提出考虑地层特性的轨迹优化。建立考虑地层约束的轨迹优化问题,研究面向小可行域优化问题的多目标优化算法。由于实际钻进轨迹与设计轨迹的偏差影响轨迹优化指标的预测,针对大位移定向井,提出考虑实钻轨迹偏差的轨迹优化。建立考虑参数不确定性的轨迹优化问题,研究针对具有不确定参数优化问题的多目标优化算法。针对入靶要求较高的轨迹优化问题,研究三目标多约束轨迹优化问题的多目标优化算法,以及基于模糊综合评价的决策方法。（2）考虑井壁稳定性约束的钻进轨迹多目标优化方法钻进过程会破坏地层原有的应力平衡,通过调节泥浆密度可以维持井壁稳定。本文利用安全泥浆密度与钻进方向的关系,以轨迹长度和钻柱扭矩为优化目标,建立井壁稳定性约束下的轨迹优化问题。针对具有严格约束的轨迹优化问题,提出基于拐点与逆世代距离的多目标优化方法。最后,用真实的压力录井数据与钻进轨迹实例,通过多种方法的对比和仿真实验表明,所提方法能够得到收敛性和多样性更好的解;具有相同安全泥浆密度变化率的解中,所提方法找到的轨迹设计方案具有更小的轨迹长度和钻柱扭矩。（3）具有参数不确定性的钻进轨迹多目标优化方法复杂地层条件下,实际钻进轨迹与设计轨迹存在偏差,轨迹优化指标预测不准确。对大位移定向井而言,轨迹复杂度指标的低估可能导致实钻发生起下钻困难等问题。本文利用实际测井数据,分析钻进轨迹的井斜角和方位角变化率的偏差,建立不确定参数的概率密度函数。然后,基于随机抽样方法估计钻柱扭矩,以轨迹长度和钻柱扭矩估计值为优化目标,建立多目标轨迹优化问题。为了降低不确定参数对优化结果的影响,本文提出移除离群值的非支配排序方法,利用基于离群值移除的多目标优化方法求解具有参数不确定性的钻进轨迹优化问题。实例仿真验证的结果表明,所提出优化方法相比其它方法能够得到多样性最佳的解集,以及稳定性最佳的轨迹设计方案。（4）基于模糊综合评价的钻进轨迹优化与决策方法在侧钻、纠偏等钻进工程中,需要对入靶点坐标和入靶方向进行约束。本文以最小化轨迹长度、井身剖面能量和中靶误差为目标,建立针对几何特性的轨迹优化问题,对优化问题的数学模型进行分析,根据轨迹参数关联性减少决策变量从而简化约束条件。针对具有非线性、多约束、多目标等特性的钻进轨迹优化问题,利用自适应罚函数法和基于分解的多目标优化算法,解决具有三个优化目标的轨迹优化问题,得到的解集相比其它方法具有更好的收敛性和分布性。提出基于最小模糊熵的隶属度函数模型,对得到的非劣解集中的解分类,利用模糊综合评价方法决策出最终轨迹设计方案,相比其它决策方法更符合决策者的偏好。最后,将所提出的轨迹优化方法和决策方法,应用到实验室的轨迹优化系统中。通过研究具有非线性约束与参数不确定性的地质钻进轨迹多目标优化问题,为复杂地层钻进轨迹优化提供新的解决方案,对于降低钻进工程成本、提升钻进过程效率和安全性具有重要意义。随着随钻测量等技术的进步,在今后的研究中还能进一步提升算法的运算效率,实现钻进轨迹的实时预测与在线优化。