空气锤钻井技术是应对硬地层、中硬地层最有效的破岩方法之一,以其钻进速度快、钻井成本低、井眼直等优点受到了广泛的应用。为了实现单井高产,储层损害小的目标,最理想的钻井方式是用空气锤来钻水平井。目前空气锤用于水平井、定向井的钻进存在着井眼不规则、井壁不光滑、固井质量不好等问题,文章针对这些存在的问题,对空气锤进行全面调研基础上,借鉴国内潜孔锤和凿岩机工作原理,进行了细致研究,创新性的将空气锤与凿岩机原理相结合,设计了一种新型的利用高压气体驱动并能够实现自动旋转的定向钻井用空气锤。新型定向(旋转)空气锤采用旋转的活塞在上行返程过程中(达到上行死点前)以一定的速度撞击配气座下部的特殊齿形产生周向力,产生的周向力矩通过传动机构传递到空气锤壳体,旋转的壳体带动钻头旋转,实现钻头角度调整与钻头自动加压的目的,从而实现定向、水平钻进,同时旋转的壳体能够光滑井壁,提高井眼质量,达到提高固井质量的目的。本文详细介绍了定向空气锤的工作原理和结构特点,创新的设计出了定向空气锤回转接头、减震机构、转筒、配气座、旋转活塞等关键部件。建立了定向空气锤活塞的运动学、动力学模型,空气锤内部腔室气体的状态方程、活塞运动速度的微分方程、活塞运动位移的微分方程、气体流动状态方程与数值分析相结合,使用MATALB软件进行仿真分析。运用有限元分析软件ABAQUS对定向空气锤的主要零部件进行了强度校核,确保能够满足井底复杂条件下的工作要求。正在申请定向(旋转)空气锤的国家发明专利和实用新型专利,绘制了CAD图纸,目前正在进行样机的加工,下步工作将进行现场试验。