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與聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（即ＰＤＣ鉆頭）不同，牙輪鉆頭設(shè)計更難趨于平衡狀態(tài)，原因在于其幾何空間的局限性、動彈牙輪及其眾多的設(shè)計變量。為了克服這一難點，國外科研職員開發(fā)了優(yōu)化技術(shù)，使得牙輪鉆頭的平衡狀況先得到測評，其次再使其體積與壓力得到平衡。體積的平衡是均衡各牙輪間的巖屑切除量，而壓力的平衡則能確保各牙輪所受的鉆壓、彎曲扭矩和軸承壓力幾乎相同。如斯一來，便沒有任何一個牙輪或軸承系統(tǒng)會產(chǎn)生受力過大的情況。
當(dāng)所有牙輪和軸承處于相同壓力下時，切削結(jié)構(gòu)就達到了"壓力平衡"狀態(tài)。在鉆井期間當(dāng)所有牙輪排出的巖屑量相同時，切削結(jié)構(gòu)就達到了"體積平衡"狀態(tài)。"能量平衡"（ＥＢ）的鉆頭是指它既達到了"壓力平衡"，又達到了"體積平衡"。
能量平衡牙輪鉆頭的長處是，通過平衡所鉆巖石的量以及每個牙輪的受力，改善牙輪鉆頭切削結(jié)構(gòu)與巖石界面的動力狀態(tài)。實驗室和現(xiàn)場試驗表明，能量平衡鉆頭所鉆的井底更平滑，且鉆頭所受的碰撞力最小，從而進步了鉆頭的切削能力。平滑、低振動的鉆井也有助于改善定向響應(yīng)，減小牙掌疲憊失效的風(fēng)險和對敏捷鉆柱部件的損害。
這種鉆頭能夠鑲裝具有專利權(quán)的定向齒和鑿形鑲齒，并以垂直于切削方向的方式裝齒，從而使切削的巖石量更大，并同時進步機械鉆速。此外，定向齒能提供平均的壓力，由于這種齒可以防止齒的角部承受高負荷，從而減少了齒的破碎和斷齒現(xiàn)象。
平均的壓力還表現(xiàn)在切削齒上幾乎沒有扭矩，從而減少了因滾動而引起的掉齒現(xiàn)象。另外，固然錐形或半圓形鑲齒不能被定向安裝，但仍有辦法使鉆頭切削結(jié)構(gòu)和軸承系統(tǒng)達到能量平衡與力平衡狀態(tài)。因此，固然并不是所有鉆頭都有定向齒，但它們都能從能量與力平衡設(shè)計技術(shù)中受益。
能量平衡設(shè)計可使牙輪鉆頭帶有更堅韌的切削結(jié)構(gòu)，從而進步鉆頭切削效率、密封可靠性并延長整個鉆頭的使用壽命。另外，鉆頭的鈍化狀態(tài)也得到了改善，以致可以開發(fā)出切削能力更強的鉆頭結(jié)構(gòu)，從而可以推薦使用ＩＡＤＣ代碼軟一級的鉆頭。例如，本應(yīng)使用ＩＡＤＣ代碼為５１７的尺度鉆頭，而此時則可推薦使用ＩＡＤＣ ４４７或４３７的能量平衡鉆頭。
在挪威、加拿大、阿爾及利亞和中東地區(qū)的一些應(yīng)用實例，都證實能量平衡牙輪鉆頭不管在進尺和機械鉆速方面，相對于一般普通鉆頭都有很大的進步，可節(jié)省大量的鉆井本錢。這些鉆井實例還證實，平衡鉆頭的機能上風(fēng)---機械鉆速更快、使用壽命更長---不僅僅局限于ＰＤＣ鉆頭，跟著提高前輩分析能力的發(fā)展，能量平衡牙輪鉆頭同樣能以更快的鉆速和更小的磨損鉆進更長的井段。