石油与天然气钻井是在地球上钻孔，钻头在钻机转盘或顶驱等旋转动力带动下，破碎岩石，形成井眼，可以说钻头是破碎地下岩石的利器。井眼形成的好坏，形成井眼所用时间的长短，除与所钻地层岩石的特性有关外，更与钻头本身的性能直接相关。在油气钻井施工中，需根据待钻地层地质情况、拟采用的钻井工艺，合理地设计、科学地选择钻头，从而提高钻井效率和质量。
油气钻井使用的钻头种类很多，一般可以分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头等。按功用又可分为全面钻进钻头、取心钻头和特殊工艺钻头。
刮刀钻头是旋转钻井使用最早的一种钻头。从19世纪末开始采用旋转钻井就开始使用这种钻头，而且直到现在某些油田仍在使用，但用量逐渐减少。刮刀钻头由钻头体、刮刀片、喷嘴等组成。刮刀片又称刀翼，是刮刀钻头的主要工作部件，刮刀钻头就如刀片一样以旋转切削方式破碎岩石，类似于用刀子转着切削木头。刮刀钻头按照刀片数量可分为两翼刮刀钻头、三刮刀钻头、四刮刀钻头、五刮刀钻头、七刮刀钻头，使用最多的是三刮刀钻头。刮刀钻头主要用在软地层和松软地层，具有很高的机械钻速和钻头进尺。刮刀钻头最大的优点是结构简单、制造方便、成本低，但由于刮刀钻头的承载面积大、钻进过程中易发生蹩钻和井斜，所以使用量越来越少，逐渐被牙轮钻头和PDC钻头所替代。
牙轮钻头是旋转钻井作业中使用最普遍的一种钻头。从1909年第一只牙轮钻头问世以来便在油气钻井中得到了广泛的应用，尤其三牙轮钻头应用最为广泛。三牙轮钻头主要由钻头本体、三个牙轮、轴承和喷嘴等组成，牙轮由牙轮体和牙齿组成。钻进时钻柱带动钻头转动，三个牙轮就像围着太阳转动的地球一样，随着钻柱转动（公转）的同时还在自转，牙轮上的牙齿作用在岩石上，具有冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用，采用不同的牙齿设计和轴承结构来适应从松软地牙轮钻头，按照牙轮数目可分为单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮钻头。
金刚石钻头是指靠镶嵌在钻头胎体上的金刚石颗粒破碎岩石的钻头。金刚石钻头属于整体式钻头，其结构主要包括胎体、水眼、金刚石等。钻进时，钻头表面的多粒金刚石颗粒同时作用于井底岩石，破碎岩石。金刚石是人类所知的材料中硬度最大、最耐磨的材料，因此金刚石钻头用于高硬、高研磨性地层。虽然金刚石比较昂贵，但因可获得较高的钻头进尺，在油气钻井中仍有一定的竞争力，尤其在取心作业中，金刚石取心钻头得到了广泛应用。
PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，也叫复合片齿钻头。PDC钻头属于整体式钻头，主要由钻头体、PDC切削齿和喷嘴等组成。钻进时，在钻压和扭矩作用下，PDC钻头多个切削齿同时工作，破碎岩石。自从1973年美国引入PDC切削块（又称PDC复合片），研制出第一个PDC钻头以来，PDC钻头便以其钻速快、寿命长、进尺高等优点，在油气钻井中得到了广泛应用。PDC钻头在较均质的软到中硬地层中使用效果最好。
随着技术进步，出现了许多新型钻头，如牙轮和PDC复合钻头、360＆deg；旋转PDC切削齿钻头、非平面齿PDC钻头等，大幅度提高了钻井速度与钻井效率。
钻井作业是通过钻头旋转破碎岩石来实现的，但带动钻头旋转的动力来自哪里呢？旋转动力有两个来源：一个是井下动力钻具，另一个是钻机旋转系统的工作机——转盘或顶部驱动钻井装置。尤其以后者为主。
转盘作为钻机的三大工作机（绞车、转盘或顶驱、钻井泵）之一，安装在钻机底座的钻台上，其上表面（转台面）与钻台面平齐，其中心与井眼中心重合。转盘可以说是一个机械传动装置，更确切地说是一个大功率的圆锥齿轮减速器，把电动机或柴油机等发动机传递来的水平旋转运动转化为与井眼同轴的垂直旋转运动，其主要作用：
（1）钻井时，通过方钻杆带动钻柱旋转，钻柱带动钻头旋转钻出井眼；
（2）起下钻和下套管时，通过卡瓦或吊卡承托全部钻柱重量或套管重量；
（3）用井下动力钻具钻井时，转盘制动上部钻杆柱，承受反扭矩。
转盘一般都包括壳体（底座）、转台总成、水平轴总成、方补心等。大伞齿轮安装在转台总成上，小伞齿轮安装在水平轴总成上，通过大小伞齿轮的传动，将传递到水平轴上的转动，变为垂直转动的同时，降低转速，提高扭矩。方补心安装在钻台总成的大方瓦内方中，内方与方钻杆相匹配，就好比套筒扳手一样，套住方钻杆，将通过伞齿轮降速增扭后的转速和扭矩传递给方钻杆。
顶部驱动钻井装置简称顶驱，是20世纪80年代发展起来的一种钻井装置。顶驱安装在井架内部空间，悬挂在游车上，与钻柱上端相连接，从井架空间上部沿井架内专用导轨向下送进并直接驱动钻柱旋转。
按照驱动方式不同，顶驱可以分为直流电顶驱、交流变频顶驱、永磁顶驱和液压顶驱。其中以交流变频顶驱应用最为广泛，其主要由主机、液压源、电控系统、导轨、司钻操作台等组成。主机为顶驱主体，由动力水龙头、管子处理装置、导向滑车总成等组成；动力水龙头也就是水龙头＋电动机总成，用于驱动主轴旋转钻进和循环钻井液，管子处理装置用于抓放钻杆、上卸扣、控制内防喷；液压站为顶驱提供液压动力，传动与控制各执行机构；电控系统包括VFD或SCR、PLC等，对扭矩、转速进行调控，对各执行机构动作进行控制、监测与保护；司钻操作台用于顶驱的控制和状态显示；导轨用于承受钻进和上卸扣时顶驱主体的反扭矩。
采用顶驱钻井的优点包括：
（1）起下钻过程中，如果遇阻，接上顶驱即可开泵循环，并使钻柱旋转，这样可减少起下钻时的卡钻事故；
（2）接立根（三根钻杆组成一个立根）钻井，减少了上卸钻杆的时间，和转盘钻井相比可节约20％～25％的时间；
（3）顶驱自带内防喷器，不论在起下钻还是钻井过程中发生井涌，都可以远程控制防喷器关井，提高了钻井安全性。