Бурение сверхглубоких скважин (более 6000 м) имеет ряд особенностей по сравнению с бурением скважин на освоенные глубины. В частности, исходные геологические данные для проектирования сверхглубоких скважин, как правило, прогнозные и не имеют достаточной степени достоверности; проектные решения по способам бурения, конструкции скважины, выбору технических средств бурения (бурильных труб, долот), а также материалов для буровых и тампонажных растворов содержат несколько возможных вариантов, которые корректируются или даже меняются по мере углубления скважин; большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ - необходимое условие обеспечения оптимальных технико-технологических решений в условиях многовариантности геологического строения и др.
В настоящее время требованиям сверхглубокого бурения удовлетворяют только два основных способа - турбинный и роторный. В мировой практике нефтегазопоискового бурения преимущественно используется роторное бурение, но расчеты свидетельствуют о том, что при глубине более 10000 м предпочтительным остается бурение забойными двигателями.
Конструкция скважины, включая число обсадных колонн, их диаметр и глубину спуска, определяется с учетом многих факторов. Решающее значение в кристаллических породах играют их физико-химические свойства. Для осадочных пород важно избегать несовместимости условий бурения в разных интервалах разреза, а также обеспечивать герметичность затрубного пространства и возможность установки соответствующего по давлению противовыбросового оборудования. При выборе конструкции оцениваются стойкость труб от механического износа и их прочностные свойства, а также допустимая масса секций труб. Во многом сочетание диаметров обсадных колонн в скважине зависит от диаметра конечной колонны, которая должна соответствовать условиям проводимых в ней исследований.
Был разработан и внедрен принципиально новый метод бурения открытым стволом оптимального диаметра, позволивший в 5-6 раз сократить металлоемкость конструкции скважины (по сравнению со скважинами на нефть и газ), исключить износ зацементированных обсадных колонн, предотвратить непреодолимые осложнения и тем самым обеспечить возможность бурения на большие глубины.
Для бурения Кольской сверхглубокой скважины была создана отечественная буровая установка БУ-15000 грузоподъемностью 400 т при давлении нагнетания 400 кг/см2 с максимальной автоматизацией процессов бурения (спуск и подъем бурового инструмента, подача долота) и бесступенчатым регулированием основных технических процессов за счет применения привода на постоянном токе. Установка рассчитана для проходки скважин до глубины 15 км. Автоматизация позволила в несколько раз увеличить скорость бурения.
Сверхглубокое бурение обусловило совершенствование конструкции и повышение термостойкости объемных двигателей и маслонаполненных редукторов, которые могли работать при температурах до 160-180°. Они стали основными низкооборотными машинами для работы с шарошечными долотами с герметизированными опорами, алмазными долотами и долотами типа "Стратопакс".
Специально для бурения сверхглубоких скважин были сконструированы породоразрушающие инструменты и забойные двигатели с соответствующей глубинным условиям характеристикой, в том числе с маслонаполненной герметизированной опорой, обеспечившие показатели отработки, на 15-20% превышающие средние проектные параметры, а на больших глубинах - на 70-100%. Были созданы термостойкие редукторные турбобуры, устойчиво работающие со скоростью вращения 80-200 об/мин (забойный двигатель работает от энергии потока жидкости без вращения колонны или с ее вращением на минимальной - 2-4 об/мин - скорости). Сконструированы и внедрены в практику эффективные средства контроля работы турбобура на забое, без которых невозможно бурение забойным двигателем на глубинах более 8-9 км с контролем процесса по наземным датчикам. Внедрены в производство новые типы керноотборных снарядов с гидротранспортом керна в камеру складирования, которые обеспечили приемлемые показатели отбора пород практически по всей глубине скважины. Новый колонковый снаряд позволяет сохранять от истирания значительную часть выбуренного керна и поднимать его на поверхность: процент выноса керна с больших глубин повышается в 2-3 раза против обычного. Разработана принципиально новая технология ликвидации тяжелых призабойных осложнений методом безориентированного забуривания нового ствола без установки цементного моста, которая была трижды успешно применена при бурении Кольской сверхглубокой скважины на глубинах более 7 км.
Учеными и конструкторами был создан ряд уникальных приборов и аппаратуры, что обеспечило проведение наиболее полного в мировой практике комплекса исследований. Среди них аппаратура акустического каротажа, позволившая изучать закономерности акустических полей и определять интервальные и пластовые скорости распространения упругих колебаний поперечных и продольных волн, и семейство аппаратуры спектрометрического гамма-каротажа, которая обеспечила точные спектрометрические исследования при температуре до 250°С и давлении до 210 МПа.
На Кольской сверхглубокой скважине была внедрена информационно-измерительная система, включавшая три основные программно-аппаратные подсистемы для подготовки к рейсу, контроля бурения, определения итогов рейса.
На Тюменской сверхглубокой скважине использовалась станция автоматической оптимизации бурения, разработанная ВПО "Союзгеотехника". Система обеспечивала оптимизацию по рейсовой скорости или проходки на долото, корректировку выбранного режима бурения при изменении условий бурения в процессе рейса, распознавание на ранней стадии возникновения предаварийных и аварийных ситуаций и их вероятную оценку.