空气钻井是欠平衡钻井的重要分支。由于空气钻井技术突出的优点,正在得到广泛的应用。随着空气钻井技术的发展以及采用空气钻井技术进行定向井、水平井作业的需要,空气螺杆钻具已成为国内外各大钻井科研机构研究的热点。针对现有空气螺杆钻具存在的问题,本论文对空气螺杆钻具的动力节——螺杆衬套副进行了设计研究。本文采取的技术路线是理论研究及设计计算。首先,通过对螺杆钻具的工作原理进行研究,分析了螺杆钻具形成的必要条件,确定了螺杆和衬套的线型,采用回归法归纳5/6头螺杆衬套副过流面积,并对5/6头螺杆衬套副进行了优选。其次,研究了空气钻井理论,并采用最小动能法进行算例计算,总结了对空气钻井影响较大的几个因素。再次,分析了容积式马达的逆应用—容积式空气压缩机的工作原理及其工作过程中气体状态,并在上述理论分析的基础上初步总结出两种新型空气螺杆钻具螺杆衬套副的设计方法,用此方法结合算例对两种空气螺杆钻具螺杆衬套副进行了设计,确定了新型空气螺杆钻具的速度特性公式。最后,通过对空气钻井的理论研究和新型空气螺杆钻具的特性研究,初步确定了空气钻井与新型空气螺杆钻具的匹配关系,并采用有限元软件ANSYS对螺杆衬套副进行受力分析。