近年来,大规模、低丰度、难动用油气资源的开发力度不断加大。当遭遇薄层、多层、致密储层及强水敏性地层时,使用具有良好保护储层效果的气体钻井技术,通过钻水平井打开储层不失为一种较好的解决办法,即为气体钻水平井技术。现今液体钻水平井中通常使用容积式螺杆马达作为井下动力钻具,从而完成增斜、减斜及稳斜操作。而现有的螺杆马达基于液体钻井设计,常规空气锤基于垂直钻井设计,二者都不能直接适用于气体钻水平井技术,缺乏可靠的井下动力钻具制约了该技术的发展。上世纪90年代至今,为了突破这个技术瓶颈,国内外研究者一方面将用于液体的螺杆马达钻具改装为气动螺杆钻具;另一方面则尝试将常规空气锤进行改装,使其能用于水平井,并具有导向钻进的能力。经过一系列的研究已有成系列的气动螺杆产品。然而螺杆钻具的动力原理限制了其用于气体这种可压缩型流体时的使用效果。理论研究及现场应用都证明了气动螺杆钻具具有输出扭矩小,随扭矩下降转速迅速上升的缺陷。同时,水平井用空气锤也处于不断发展之中,已有的一些将常规空气锤改进为水平井用空气锤的设计,用于实际钻井实验后,出现了扭矩不足,容易卡死的情况。为了解决现有的水平井用空气锤性能不佳的情况,本文首先建立了空气锤井底工作过程的数学计算模型,编制了空气锤工作过程的仿真计算软件,进行了空气锤多角度工作台架实验,并结合台架实验对数学模型的准确性进行验证,随后利用建立的仿真软件,从活塞往复振动机构及自转机构的附加两方面入手,对现有水平井用空气锤性能下降的原因进行分析。最后基于各项分析结果,对现有水平井用空气锤提出了优化建议,并提出了一种新型水平井用空气锤的设计方案。本文建立的井底空气锤工作仿真计算软件能良好的模拟空气锤井底工作的真实状态,计算结果均能较好的和台架实验结果相符合。建立的空气锤性能测量方法方便可靠。通过计算分析解释了现有的几种水平井用空气锤工作性能较差的原因,并提出了一种新型水平井用空气锤设计,其各部分均基于本文的各项研究结果进行了优化。优化后的活塞往复振动机构冲击次数、输出转速及总输出功均得到20%～30%的提升,且即便在扭矩过大无法转动的情况下,其自转机构也能利用冲击破岩过程中钻齿反弹产生的转动扭矩为零的这段时间转动空气锤锤体。