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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(jì)更難趨于平衡狀態(tài)，原因在于其幾何空間的局限性、動(dòng)彈牙輪及其眾多的設(shè)計(jì)變量。為了克服這一難點(diǎn)，國(guó)外科研職員開(kāi)發(fā)了優(yōu)化技術(shù)，使得牙輪鉆頭的平衡狀況先得到測(cè)評(píng)，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(lái)，便沒(méi)有任何一個(gè)牙輪或軸承系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生受力過(guò)大的情況。
當(dāng)所有牙輪和軸承處于相同壓力下時(shí)，切削結(jié)構(gòu)就達(dá)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(shí)，切削結(jié)構(gòu)就達(dá)到了"體積平衡"狀態(tài)。"能量平衡"（ＥＢ）的鉆頭是指它既達(dá)到了"壓力平衡"，又達(dá)到了"體積平衡"。
能量平衡牙輪鉆頭的長(zhǎng)處是，通過(guò)平衡所鉆巖石的量以及每個(gè)牙輪的受力，改善牙輪鉆頭切削結(jié)構(gòu)與巖石界面的動(dòng)力狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jìn)步了鉆頭的切削能力。平滑、低振動(dòng)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(xiǎn)和對(duì)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(shí)進(jìn)步機(jī)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(fù)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(méi)有扭矩，從而減少了因滾動(dòng)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(dá)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(jì)技術(shù)中受益。
能量平衡設(shè)計(jì)可使牙輪鉆頭帶有更堅(jiān)韌的切削結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)步鉆頭切削效率、密封可靠性并延長(zhǎng)整個(gè)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(kāi)發(fā)出切削能力更強(qiáng)的鉆頭結(jié)構(gòu)，從而可以推薦使用ＩＡＤＣ代碼軟一級(jí)的鉆頭。例如，本應(yīng)使用ＩＡＤＣ代碼為５１７的尺度鉆頭，而此時(shí)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(shí)例，都證實(shí)能量平衡牙輪鉆頭不管在進(jìn)尺和機(jī)械鉆速方面，相對(duì)于一般普通鉆頭都有很大的進(jìn)步，可節(jié)省大量的鉆井本錢。這些鉆井實(shí)例還證實(shí)，平衡鉆頭的機(jī)能上風(fēng)---機(jī)械鉆速更快、使用壽命更長(zhǎng)---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(jìn)更長(zhǎng)的井段。
