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无压浸渍工艺生产的胎块式PDC石油钻头在我国已经广泛应用，并且获得了很好的经济指标，但钻遇砾石夹层和硬岩时却表现出很不适应，它已经成为PDC钻头钻进和推广中的一个“拦路虎”。砾石夹层的特点是砾石坚硬、软硬互层、非均质、研磨性强，因此PDC钻头在该地层钻井环境恶劣，钻进时钻头不平稳、跳动，PDC复合片崩裂、磨损消耗快，机械钻速低、寿命短，这些影响直接关系到施工周期延长和钻井成本提高。这已经是被实践证明了的事实。
随着油田勘探向深部发展和向油田的周边拓展以及开发新的油气田，遇到硬岩和砾石夹层地层会越来越多，将逐步上升为钻井中的一个突出难题。比如川东普光气田的硬质岩以及冀东油田的底砾岩和玄武岩等，对实现安全、高效、优质、低耗钻井带来严重的阻碍，其特性表现为：地层坚硬难钻，研磨性较强，憋钻、跳钻现象明显，钻头使用寿命低；软硬夹层地层表现出孔壁的稳定性差，易塌易漏，给施工带来俱多困难。
从钻头选型分析，目前钻井公司钻进底砾岩、软硬夹层地层的钻头多采用镶齿牙轮钻头，或复合片PDC钻头，然而，其效果仍然很不理想。国外多采用表镶天然金刚石钻头，或者采用热稳定型聚晶金刚石钻头(TSP钻头)。这种钻头在硬岩层中钻井，可以获得较高的时效和较长的使用寿命。国内的情况与国外有所不同，我国很少采用表镶天然金刚石钻头，而多采用热稳定型聚晶金刚石钻头(TSP钻头)。其理由之一是表镶天然金刚石钻头的成本高，而且对于钻进硬-坚硬岩石不适应(大陆科学钻探已经证明了这点)；其次是钻进速度不高，难以满足石油钻井的快速要求。
目前，在石油勘探钻井中存在的问题是，遇到硬岩层或卵砾石夹层，不进行钻头的选型，而是盲目采用常规的复合片钻头或牙轮钻头钻井，因而，收不到好的钻井效果。必须研究与设计新类型的金刚石复合型钻头，才能在该类地层中获得好的钻井效果。
本论文针对冀东油田、四川普光气田的钻井中遇到的底砾岩、玄武岩和软硬夹层地层的性质，并分析了在这些地层中的钻进特点后，认为钻进中的动载荷是破坏复合片钻头的主要因素，硬岩是损坏牙轮钻头、降低使用寿命的根本原因。由此提出设计新型金刚石-聚晶体复合型、大口径钻井钻头，并从钻头内部结构、提高胎体硬度与耐磨性以及金刚石-聚晶参数等方面提出了新型复合式金刚石钻头的研究思路。本论文进行了以下主要试验研究工作，并取得了相应的研究成果。
本论文首先对热压金刚石钻头的胎体成分的选择进行了全面的、深入的分析，对各种材料的性能及其在胎体合金中的作用进行了论述，对各种材料之间的相互影响与作用进行了研究，这些为设计钻头配方提供了有益的借鉴，基本确定了论文所要研究的钻头胎体的成分及其配比。
本论文对比分析了胎体性能试验研究方法一混料回归试验设计方法和配方均匀设计方法，提出了采用混料回归试验设计方法对新型钻头胎体性能进行试验研究的可行性和实用性，并应用混料回归试验设计方法得出了胎体成分及其含量的变化对胎体性能的影响规律。
同时，依据试验研究优选出的胎体配方试制了钻头，进行了室内钻进试验，结果表明，试验钻头的硬度、耐磨性、抗弯强度以及胎体与刚体的结合强度等性能指标均能满足钻探要求，为后续设计和研制新型结构的金刚石钻头提供了有意义和有价值的依据。事实表明，混料回归试验设计方法是科学的和可靠的研究胎体性能的一种方法，具有新颖性和创新性。
本论文对普通孕镶金刚石钻头在孔底受力与磨损进行了分析，得出了钻头在钻进过程中非正常磨损的原因以及磨损机理。提出了钻头结构设计中采用非均质-等速磨损的工作层设计思路，对底砾岩、卵砾石地层及软硬夹层等地层钻进钻头设计与研制有重要的指导意义和实用价值。
实现非均质-等速磨损的设计思路，主要采用两种方法：①在工作层内的不同部位放置不同规格和不同数量的聚晶体，在相同的胎体性能条件下可以实现不同的耐磨性能，达到钻头胎体内部性能非均质，但其磨损速度相同，而不会出现非正常磨损，钻头的工作层能够充分发挥作用。②工作层分部位设计。钻头的工作层在孔底工作时，由于不同的部位受力不同，引起胎体的磨损程度不相同，造成胎体的不均匀磨损，致使钻头提前失效。分部位设计的目的就是解决工作层的不同部位具有不同的耐磨性能，在钻进过程中，虽然工作层的各个部位受力不同，但是能够实现均衡磨损，最大限度地发挥钻头工作层的作用，提高使用寿命。
这两种设计方法可以收到异曲同工的效果，同时，可以依据不同的地层情况加以选择与配合，将收到更好的钻进效果。
本论文在普通孕镶金刚石钻头的设计基础上，将热稳定性聚晶体或复合片切割体，按照一定分布、排列方式孕镶在金刚石工作层中，形成新型复合型金刚石钻头。这种复合型钻头对于底砾岩、卵砾石地层以及软硬夹层钻进具有耐冲击、耐磨损、内外保径效果好等优越性，该钻头是钻头家族中的一个很有发展前途的新成员。
这种设计新思路的关键是依据地层合理选择聚晶体的规格、数量、分布与排列。聚晶体是一个较广泛的概念，它既是普通聚晶，又可能采用热稳定性聚晶；它可以是圆柱形的聚晶，也可以是方柱状聚晶；它既可以采用聚晶，还可以采用复合片的切割体。这些不同的聚晶体可以采用不同的规格、以不同的数量，按不同的分布与摔列，体现出不同的耐磨性和钻进效果，可以适应不同岩层的钻进需要。该设计思路和研究成果具有创新性。
本论文分析研究了石墨模具的温度特性，为合理设计和制定热压钻头的烧结温度、升温速度、保温时间以及出炉温度提供了理论依据。并依据石墨模具的温度特性以及在分析传统烧结工艺的基础上，制定出合理的金刚石-聚晶体复合型钻头的热压工艺曲线。经过几轮次钻头试验表明，该热压工艺曲线设计合理、实用和易于掌握。
本论文把胎体性能、破碎岩石的磨料以及岩层性质综合起来进行分析与设计，经过反复试验研究优化后得出了新型金刚石-聚晶体复合式钻头的热压工艺曲线。因而，该热压工艺是科学的、合理的热压金刚石-聚晶体复合式钻头的烧结工艺，具有实用性和通用性。
本论文采用了先进的试验设计方法，确定了钻头的胎体配方与热压工艺规范；合理设计了新型钻头的工作层结构；合理设计了刚体与石墨模具；优化了金刚石与聚晶参数，对金刚石、聚晶体和复合片切割体进行了超声波预处理和真空蒸镀覆膜处理；优化确定了钻头的烧结工艺曲线，指导钻头的试制。最后试制了两只φ112mm/φ90mm新型金刚石-聚晶体复合式钻头，并进行了生产性试验。
钻头试验在福建南平闽江三桥勘察工地实施，试验结果表明：钻头的钻进速度平均达到1.38m/h，钻头的平均使用寿命达到57.6m。在相同工地施工中，远远优于其它厂家的钻头质量。从钻头磨损表面情况分析，钻头的磨损正常，钻头基本保持完整外形。
总之，论文通过大量试验研究和理论分析，成功地研制成新型的金刚石-聚晶体复合式钻头，有效地解决了在底砾岩、卵砾石地层以及软硬夹层地层中钻进难的问题，解决了钻头寿命短的问题；所试验的两个钻头的性能稳定，磨损正常；在同一个工地的施工中，与其它单位的钻头相比，本次研制的钻头获得了寿命最长的钻进效果。本论文达到了预期研究目标。
本论文尚存在以下几点需要继续研究的地方：
①试验研究胎体性能采用混料回归试验设计方法虽然是一种先进的方法，但仍然存在试验点分布不够均匀的现象，这可能会造成某些个优化组合的配方丢失。因此，有必要采用配方均匀设计方法进行胎体性能的对比试验研究。
②继续研究采用碳纤维材料和碳化硅纤维材料提高胎体耐磨性，这是提高金刚石钻头性能的研究方向之一。
③本论文仅研制了两个金刚石-聚晶体复合式钻头进行生产性试验，而且试验工地只有一个，从某种意义上看，数量少、代表性不够。需要增加钻头研制数量，在不同工地继续进行试验，努力创造条件，争取在油气钻井中试验该新型金刚石-聚晶体复合式钻头，以获得更加全面的、更具代表性的试验结果。