针对山区页岩气平台选址受限大的难题,根据“井工厂”作业模式下单井钻井费用不断降低的学习效应,采用改进的相似余弦度对学习效应进行量化,将量化指标引入到平台位置优选模型中,建立了一套专门针对山区页岩气的钻井平台位置优选模型。针对页岩气丛式水平井大型化的问题,结合山区页岩气开采通用的均匀布井模式,提出了定向钻井延伸极限概念来对丛式水平井的大型化程度进行量化,同时结合轨道势能和设计轨道总长度,建立了山区丛式水平井多目标三维轨道优化设计模型,对确定山区丛式井的布井数量给出了理论指导,并且基于该模型编制了丛式水平井井眼轨道优化设计计算软件。基于大位移定向钻井延伸极限的基本概念,进一步引入机械约束条件,建立了井下管柱上提/下放的延伸极限预测模型来定量预测不同工况下丛式水平井大位移延伸的机械极限;建立了考虑钻柱进尺长度变化量的套管磨损预测模型,以该模型来计算井下各位置处的套管磨损深度,以套管磨损深度安全阈值作为定向钻井延伸极限的约束条件,建立了相应的定量预测计算模型。丛式水平井既要满足大型化的发展趋势,又要符合安全高效作业要求。对于丛式水平井的安全设计,有必要考虑三维井眼轨迹防碰绕障和精确中靶的安全控制要求。针对山区页岩气加密调整井随钻防碰的三维绕障轨道设计问题,提出了加密调整井压裂水平段障碍物耦合模型,建立了以防碰为约束条件的三维绕障轨道优化设计模型,并给出了不同水平压裂段间互不影响的几何判断准则;针对页岩气藏的精确中靶问题,建立了椭圆台曲面靶面模型,基于该模型建立了以设计轨道总长度最短为优化目标函数的中靶轨道优化设计模型,为复杂曲面构造的页岩气藏中靶轨道设计提供了理论基础。在上述理论研究基础上,结合涪陵焦页某丛式水平井组及其邻井的数据,对该丛式水平井组进行了大型优化设计和防碰绕障设计,并结合原平台设计数据进行对比分析,验证了相关模型的先进性。