作為油氣井鉆井的主導產品之壹，據不完全統計，目前牙輪鉆頭的鉆井進尺約占總鉆井進尺的20%。牙輪鉆頭在旋轉時具有沖擊、破碎和剪切地層巖石的功能。通過合理選擇鉆頭結構，可以在低轉速下鉆進中硬地層，是壹種廣譜性好的鉆頭，特別是近年來在軟硬交錯地層中使用了鑲金剛石和金屬密封的牙輪鉆頭。實踐證明，在裸眼井段，牙輪鉆頭鉆進效率高，鉆頭壽命令人滿意。在深井上部大直徑擴眼鉆井中，牙輪鉆頭顯示了其制造技術優勢。中深孔段硬質結晶巖鉆井效率和使用壽命低；在超深孔中，對嵌入式牙輪鉆頭的特殊要求包括:選擇適合硬磨料結晶巖層的牙輪鉆頭類型；盡可能少或沒有軸偏移的鉆頭結構；鉆頭應配備密封的滾動和滑動軸承；標準且可變的切削刃(鑲齒)嵌入方法，具有同時鑲齒的數量、形式和幾何形狀；保護直徑最有效的措施是盡可能減小換擋軸距，增加外鑲塊和軌距鑲塊；采用適合孔深和溫度條件的材料；圓錐形、橢圓形和球形刀片特別適合在結晶巖層中鉆進，而鑿形齒、勺形齒和超勺形齒容易折斷。牙輪鉆頭的薄弱環節是它的運動部件——軸承，在深井鉆井時，它的壽命和耐溫性要經得起考驗。
(2)PDC鉆頭
PDC鉆頭是壹種新型切削鉆頭，它是由人造聚晶金剛石切削齒焊接在鉆頭胎體或鉆頭鋼體上制成的。它采用自銳性PDC切削齒作為切削刃，在低WOB下可獲得高機械鉆速，比牙輪鉆頭高壹倍。使用壽命長，是牙輪鉆頭的4 ~ 6倍，主要用於鉆軟至中硬地層。隨著PDC復合質量和焊接技術的提高，PDC鉆頭的使用範圍擴展到可鉆性9級的地層。過去，中國大陸唐珂鉆井、科拉超深鉆井和德國KTB鉆井都沒有使用PDC鉆頭，因為鉆井巖石堅硬。
金剛石復合片通過壓入剪切破碎巖石，通過合理選擇鉆頭結構，可以低速鉆進軟硬地層。它有點廣譜性好。隨著近年來PDC性能的大幅度提高，鉆井者對PDC鉆頭的期望越來越高，對PDC鉆頭的需求也越來越大。據統計，2000年，PDC鉆頭的鉆進進尺占總鉆進進尺的26%，2000年。
PDC鉆頭的研究進展很快，可以概括為:
1)鉆頭液壓系統。利用先進的光學測試技術PDA結合CFD方法研究PDC鉆頭井底流場已成為鉆頭水力學研究的壹個新方向。CFD是近年來隨著計算機技術的進步而發展起來的壹種求解流體流動的技術，但國內在這方面的研究相對匱乏。
2)PDC鉆頭設計。根據不同的地質條件進行個性化設計，如多尺寸截齒鉆頭設計、雙扭矩概念設計鉆頭等。采用先進的建模方法建立精確的數字模型，通過CFD和CAD對PDC鉆頭進行優化。
3)3)PDC鉆頭的加工工藝。實現數控加工，將CAD計算機輔助設計技術與CAM計算機輔助制造技術融合。
4)PDC鉆頭軟模成形技術。目前被國外先進鉆頭制造商和國內油井鉆頭制造商廣泛使用。實現鉆模數控加工後，該方法可大大提高生產效率，保證尺寸精度。
PDC復合鉆頭在軟至中硬地層鉆進中發揮了重要作用，並取得了突破性進展。
2001，美國休斯克裏斯滕森公司使用BD536PDC復合鉆頭，壹次下鉆創下6994m的世界紀錄。史密斯公司生產的M91P PDC鉆頭創下了最高機械鉆速202m/h的世界紀錄，STR554 PDC鉆頭起下鉆65438次，累計進尺21405m。
近年來，科學家和技術人員壹直致力於研究切削刀具與地層的相互作用、切削刀具的動力學和下部鉆具的動力學。根據鉆井技術的發展和鉆井現場的實際需要，世界各大鉆頭公司設計開發了多種PDC切削齒、專用PDC鉆頭及相關技術。2005年，美國DBS公司的Robert Claytom在美國石油工程師學會上發表了《新的鉆頭設計和切削刀具技術擴大了PDC鉆頭在硬巖鉆井中的應用》壹文，提出了鉆頭設計中能量平衡的觀點，即鉆頭上切削刀具(PDC)的合理布置可以使鉆頭形成的徑向合力最小化，這也是鉆頭在硬巖層鉆井時的必要條件。隨著新壹代濾鈷耐熱PDC切削齒的研制成功，PDC鉆頭的性能發生了巨大的變化。在鉆硬地層時，新壹代濾鈷耐熱PDC切削齒鉆頭的平均進尺比常規PDC鉆頭提高了2倍，機械鉆速提高了65438±0.5倍，擴大了PDC鉆頭在硬巖中的應用範圍。
(3)天然鉆石表面鑲嵌有鉆頭。
目前，在堅硬巖石的深孔取心鉆進中，傳統的天然金剛石表貼式取心鉆頭已逐漸被孕鑲式鉆頭或其他新型金剛石取心鉆頭所取代。究其原因，不僅在於天然金剛石表面取心鉆頭價格高，還在於孕鑲鉆頭等新型金剛石取心鉆頭的使用壽命和平均鉆速均高於天然金剛石表面取心鉆頭，這是巖石破碎機理和國內外大量實際數據所證明的。
大陸科學鉆探第壹口井的實驗表明，天然金剛石表貼式鉆頭鉆進效果不理想，機械鉆速不高，特別是鉆進壹段時間後，時效下降很快。鉆孔後發現部分天然鉆石邊緣破碎，大部分變鈍，幾乎看不到完整的天然鉆石。
天然金剛石表貼鉆頭胎體硬度高、耐磨性強、抗沖蝕性強，更適合石油鉆井中大泵量、高泵壓的鉆井條件。本發明的天然金剛石表貼鉆頭切削刃高，金剛石顆粒粗，在沈積巖中鉆進效率高，鉆頭壽命長。
對於科鉆1井，遇到的巖石是結晶巖，具有高硬度和研磨性。為了獲得高的鉆削速度，需要采用高的轉速和WOB，鉆頭的復合振動必然增大，這對於表面鑲嵌的鉆頭是不利的，會使刃部以上的金剛石斷裂或塌陷，逐漸失去工作能力。許多鉆井事實也表明，天然金剛石表貼式鉆頭不僅鉆井成本高，而且不適合在堅硬巖石和破碎巖層中鉆井。
為了提高鉆進效率，設計采用液壓錘沖擊回轉鉆進，表面嵌有鉆頭的金剛石具有較高的刃口。在較大的沖擊功作用下，堅硬巖石的反作用力大，高刃天然金剛石容易開裂，金剛石不能充分發揮作用，鉆頭使用壽命不長。因此，可以認為天然金剛石表貼式鉆頭不適合在硬巖中鉆進，也不適合在硬巖中沖擊回轉鉆進。
(4)電鍍金剛石取心鉆頭
從大陸科學鉆探電鍍金剛石取心鉆頭試驗來看，該鉆頭在試驗初期表現出較好的性能、較長的使用壽命和較高的機械鉆速。隨著取心鉆進方式的改變，鉆頭開始不適應沖擊回轉鉆進，鉆頭工作層脫落，鉆頭性能沒有得到充分發揮。有的只鉆了壹次，有的只鉆了兩次，主井段只用了兩個繩索取心鉆頭。
(5)孕鑲金剛石鉆頭
孕鑲金剛石鉆頭可以鉆中硬到硬的巖石，可以鉆各種具有研磨性和各種完整程度的巖石。也就是說，孕鑲金剛石鉆頭對結晶巖的適應性廣，鉆井技術指標好。大多數孕鑲金剛石鉆頭使用人造金剛石，其鉆孔成本低。
孕鑲金剛石鉆頭比鑲嵌在鉆頭中的金剛石顆粒細得多，孕鑲在胎體中的金剛石切削刃小，像是被多向應力鑲嵌，所以能承受沖擊載荷而不斷裂，適用於沖擊回轉鉆進。
孕鑲金剛石鉆頭的設計制造技術成熟，有幾十年的經驗和體會。孕鑲金剛石鉆頭有利於單動雙管取心鉆進，巖心收獲率高，巖心質量好，能很好地滿足科學鉆探的施工要求。因此，科鉆1井取心鉆井首選孕鑲金剛石鉆頭。
取芯孕鑲金剛石鉆頭的運動特點和取芯質量:孕鑲金剛石鉆頭由於切削刃小、顆粒細、金剛石多，所以切入巖石的深度有限，每轉破碎巖石量少。所以它在孔底旋轉時，不會像牙輪鉆頭壹樣，因為刀具本身的運動而振動。通常，為了獲得有效的鉆井速度，鉆頭必須高速旋轉。旋轉體高速旋轉時會產生陀螺效應(簡單來說就是物體旋轉時的離心力會使自己保持平衡)，所以金剛石鉆頭在孔底旋轉時比牙輪鉆頭穩定得多。實踐還表明，金剛石鉆頭鉆取的巖心表面光滑連續，巖心更完整，取心質量更好。
實踐證明，它最適合鉆進可鉆性高的結晶巖層；機械鉆速高，鉆井效果好，使用壽命長，綜合成本低；鉆頭心率高，巖心質量好；在科鉆1井螺桿馬達液壓錘驅動的雙管取心鉆井中表現最佳。德國KTB，中國大陸科學深鉆，最常用的是孕鑲金剛石取芯鉆頭。
(6)擴孔鉆頭
輥齒通過沖擊、擠壓和剪切來破碎巖石，在堅硬地層中產生體積破巖效果，特別是在擴孔鉆進階段，由於存在小孔形成的自由面，在沖擊方式下可以有效利用自由面，產生更大的體積破巖效果。如果用金剛石鉆頭鉆孔，每轉切削量很小，需要較高的轉速，這是現場轉盤鉆孔無法滿足的。如果使用PDC鉆頭，由於地層極其堅硬，切削刃難以進入地層，刮削效果難以實現。地層的不平整也會導致這種刀具在旋轉過程中受到沖擊載荷而斷裂。
在鉸削鉆孔中，鉆頭切削刀具的受力條件非常惡劣，因此必須盡可能使用直徑較大的錐掌。但使用過大的鉆頭掌會減少鉆頭導向體與鉆頭體的連接面積，從而降低鉆頭的強度。
擴孔鉆頭可以制成三牙輪、四牙輪和六牙輪。四牙輪擴孔鉆頭穩定性差，鉆進時容易振動。三牙輪和六牙輪擴孔鉆頭鉆進時穩定性好，但如果牙輪數量比較多，在有限的布置空間內選擇較大的牙輪掌，勢必影響導向器本體與本體的連接強度，不利於提高刀具和鉆頭的整體強度(漸康，2008)。
科鉆壹井采用導向三牙輪擴孔鉆頭。KTB主孔采用三牙輪擴眼鉆頭，擴眼時應采取以下措施:采用金屬密封軸承、最佳合金齒形優化鉆頭設計，優先考慮鉆頭結構設計和材料，加強鉆頭保徑保護；采取減震措施，盡量減少鉆柱系統的振動，以保證鉆井過程的穩定性和工具的長壽命；金剛石擴孔器用於保持鉆孔直徑長期穩定。科鉆壹井制作擴孔鉆頭時，選用的錐掌具有以下特點:軸承具有壓力平衡潤滑系統，適合深鉆；軸承密封采用性能優異的金屬浮動密封結構。
(7)渦輪電機
由於渦輪電機的部件幾乎都是金屬材料制成的，所以配有適當軸承的渦輪基本上是無摩擦的，可以在275 ~ 300℃的溫度範圍內使用。為了適應高溫的使用，研制了壹種特殊的滑動軸承，軸承與定、轉子的接觸面鑲嵌有人造金剛石(PCD)。為了盡可能避免沖擊載荷造成的損壞，PCD軸承采用了滑枕軸承的結構。裝有這種軸承的渦輪馬達已成功地用於溫度高達280℃的地熱鉆井。
渦輪鉆具最大的優點是不含橡膠件，耐高溫(工作溫度可達250 ~ 300℃)。適用於深井、超深井、高溫高壓井鉆井。渦輪鉆具也有壹些固有的缺點，限制了它的應用。比如渦輪直徑大，很難制造小直徑大功率的渦輪鉆具；渦輪轉速很高，不能直接驅動鉆頭，往往需要減速器減速，增加了裝置的復雜性，降低了可靠性。因此，渦輪鉆具已在壹些直井中使用，在定向斜井、小直徑井和彎曲半徑相對較小的水平井中使用不太方便。
為了提高牙輪鉆頭的進尺，成功地將渦輪鉆具應用於深井鉆井，應盡量降低渦輪鉆具的轉速，增加其軸上的扭矩。目前已成功采用低速減壓渦輪渦輪鉆具、液壓制動級渦輪鉆具和行星減速器渦輪鉆具。
根據渦輪鉆具組合的轉速，可分為高速渦輪鉆具組合、中高速渦輪鉆具組合和中低速渦輪鉆具組合。高速組合渦輪鉆具沒有配備減速器，所以鉆頭速度高；中高速和中低速組合渦輪鉆具在軸承接頭和鉆頭之間裝有減速器，可以降低渦輪的輸出速度。此時對應的轉速分別為:600 ~ 1000轉/分，300 ~ 600轉/分，100 ~ 300轉/分。
在實際操作中，渦輪鉆具(包括減速器渦輪鉆具)的工作速度可以根據現場需要進行調整。因此，渦輪鉆具不僅可用於牙輪鉆頭(工作速度低)，還可用於PDC鉆頭和各種類型的金剛石鉆頭(工作速度相對較高，可達1200 ~ 2000 r/min)。
大扭矩低壓短長度變徑渦輪鉆具的工作轉速為100 ~ 300 r/min，適用於不同轉速的牙輪鉆頭和PDC鉆頭。大扭矩中速渦輪鉆具的工作轉速為300 ~ 500 r/min，適用於PDC鉆頭和天然金剛石鉆頭。大扭矩高速渦輪鉆具的工作轉速為500 ~ 2000 r/min，主要適用於孕鑲金剛石鉆頭。
使用渦輪鉆具-減速器系統進行井底驅動鉆井是前蘇聯深井鉆井的三大技術特征之壹。渦輪鉆具輸出速度高，減速後只能用來驅動牙輪鉆頭。渦輪鉆具使用時，裝有轉速遙測系統，安裝在渦輪馬達上方，測量馬達轉速後，以泥漿壓力脈沖的形式將信息傳回地面。根據這些信息，地面工作人員可以調整泵量和控制電機速度，以確保最佳的鉆井進度。
(8)螺旋電機
螺桿馬達是以鉆井液為動力的井底動力機，是壹種容積式馬達。泥漿泵輸出的鉆井液通過旁通閥進入螺桿馬達，在馬達的進出口形成壹定的壓差，帶動馬達的轉子轉動，通過萬向軸和傳動軸將轉速和扭矩傳遞給鉆頭，從而達到破巖的目的。
螺桿馬達的工作特性與渦輪馬達有很大不同，它們具有硬特性，例如大扭矩和低轉速。轉速只與排量和結構有關，與工況(WOB、扭矩等)無關。).它的轉速與輸入鉆井液流量成正比，輸出扭矩與電機壓降成正比，而與轉速無關。壓降越大，扭矩越大，但壓降和扭矩變化時轉速變化不大。因此，由此不難知道，當螺桿馬達用於鉆井作業時，泵壓力表可以作為井下工況的監測器，通過壓力變化來判斷和顯示井下工況，通過調節排量來調節轉速。螺桿電機的定子由橡膠制成，耐高溫性能差。壹般用丁腈橡膠，耐溫約150℃。如果需要耐高溫，就需要使用特種橡膠，成本較高。
科鉆1井鉆井施工中，采用螺桿馬達作為金剛石取心鉆井系統的井底旋轉驅動裝置。
在油氣勘探開發中，隨著鉆頭和井下工具技術的發展和實踐，國外逐漸引入了壹套提高機械鉆速的技術途徑，即采用特殊設計的人造金剛石孕鑲鉆頭和井下動力(高速螺桿和高速渦輪)相結合，通過強化鉆井參數來提高機械鉆速。與牙輪鉆頭相比，該技術可提高機械鉆速3 ~ 10倍以上，大大提高了機械鉆速。
從目前的市場調研來看，使用進口渦輪鉆具和孕鑲金剛石鉆頭是提高鉆井速度的最佳途徑，並取得了良好的效果。未來，通過對鉆頭切削結構設計、胎體材料、制造方法和制造工藝的研究，孕鑲金剛石鉆頭將在高硬度、強研磨性地層中發揮巨大作用。
各種鉆頭的破巖方式和性能特征見表6.1。
表6.1破巖工具的類型和特點