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与聚晶金刚石复合片钻头（即ＰＤＣ钻头）不同，牙轮钻头设计更难趋于平衡状态，原因在于其几何空间的局限性、动弹牙轮及其众多的设计变量。为了克服这一难点，国外科研职员开发了优化技术，使得牙轮钻头的平衡状况先得到测评，其次再使其体积与压力得到平衡。体积的平衡是均衡各牙轮间的岩屑切除量，而压力的平衡则能确保各牙轮所受的钻压、弯曲扭矩和轴承压力几乎相同。如斯一来，便没有任何一个牙轮或轴承系统会产生受力过大的情况。
当所有牙轮和轴承处于相同压力下时，切削结构就达到了"压力平衡"状态。在钻井期间当所有牙轮排出的岩屑量相同时，切削结构就达到了"体积平衡"状态。"能量平衡"（ＥＢ）的钻头是指它既达到了"压力平衡"，又达到了"体积平衡"。
能量平衡牙轮钻头的长处是，通过平衡所钻岩石的量以及每个牙轮的受力，改善牙轮钻头切削结构与岩石界面的动力状态。实验室和现场试验表明，能量平衡钻头所钻的井底更平滑，且钻头所受的碰撞力最小，从而进步了钻头的切削能力。平滑、低振动的钻井也有助于改善定向响应，减小牙掌疲惫失效的风险和对敏捷钻柱部件的损害。
这种钻头能够镶装具有专利权的定向齿和凿形镶齿，并以垂直于切削方向的方式装齿，从而使切削的岩石量更大，并同时进步机械钻速。此外，定向齿能提供平均的压力，由于这种齿可以防止齿的角部承受高负荷，从而减少了齿的破碎和断齿现象。
平均的压力还表现在切削齿上几乎没有扭矩，从而减少了因滚动而引起的掉齿现象。另外，固然锥形或半圆形镶齿不能被定向安装，但仍有办法使钻头切削结构和轴承系统达到能量平衡与力平衡状态。因此，固然并不是所有钻头都有定向齿，但它们都能从能量与力平衡设计技术中受益。
能量平衡设计可使牙轮钻头带有更坚韧的切削结构，从而进步钻头切削效率、密封可靠性并延长整个钻头的使用寿命。另外，钻头的钝化状态也得到了改善，以致可以开发出切削能力更强的钻头结构，从而可以推荐使用ＩＡＤＣ代码软一级的钻头。例如，本应使用ＩＡＤＣ代码为５１７的尺度钻头，而此时则可推荐使用ＩＡＤＣ ４４７或４３７的能量平衡钻头。
在挪威、加拿大、阿尔及利亚和中东地区的一些应用实例，都证实能量平衡牙轮钻头不管在进尺和机械钻速方面，相对于一般普通钻头都有很大的进步，可节省大量的钻井本钱。这些钻井实例还证实，平衡钻头的机能上风---机械钻速更快、使用寿命更长---不仅仅局限于ＰＤＣ钻头，跟着提高前辈分析能力的发展，能量平衡牙轮钻头同样能以更快的钻速和更小的磨损钻进更长的井段。