钻井作业与地下环境密不可分，钻井考虑的地下环境主要包括岩石的特性、地层压力、地层温度和地层含油气水性质等。
岩石的特性是指岩石在机械外力作用下呈现的力学特性，包括岩石强度、岩石硬度、岩石的弹性和岩石的塑性等。岩石强度是指岩石抵抗外力破坏的能力，即岩石在外力作用下发生破坏时所承受的最大应力，包括岩石的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗弯强度等。岩石硬度指岩石抵抗局部破坏的能力，包含岩石压入硬度、岩石微硬度、肖氏岩石硬度、史氏岩石硬度、列宾捷尔效应等评价指标。岩石的弹性指岩石的应变随着应力的解除而恢复的特性，含岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石剪切模量、岩石体积压缩模量、岩石体积压缩系数等。岩石的塑性指岩石的应变随应力的解除而不能完全恢复的特性，含岩石塑性变形、岩石塑性系数、岩石蠕变等评价指标。塑性岩石指外载作用下破坏前呈现明显塑性变形的岩石。脆性岩石指外载作用下破坏前不呈现明显变形的岩石。
在实际钻井条件下，岩石在地层深处处于受压的状态，通常称之为围压。实验证明，在一定压力范围内，所有岩石的强度随着围压的增大而明显增大。但是围压增大到一定数值后，继续增大围压时，相应的强度增量就会变得越来越小，最后当围压很高时，有些岩石的强度便趋于常数。岩石的层理使岩石各个方向的硬度不同，垂直层理方向的硬度值较小，而平行层理方向的硬度值最大，其原因主要是沿层理方向颗粒定向排列而使硬度提高，所以钻井时在垂直于层理方向上钻进，岩石容易破碎。
岩石按其自然属性是不具备塑性的，只是在三维压缩的应力状态下才呈现塑性。实验证明，随着围压的增加，岩石表现出从脆性到塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。对深井钻井来说，研究岩石从脆性到塑性的转变，具有重要的实际意义，因为脆性破碎和塑性破碎这两种状态下的岩石需要分别采用不同类型的钻头，采用不同的破碎方式和钻进参数，从而加快钻进速度。
地应力指地壳岩层中存在的应力，它不是一个定值，而是随着时间空间的变化而异，包括岩层水平地应力、上覆岩层压力、基岩应力等。岩层水平地应力是作用在岩层水平方向上的地应力，包括最大水平地应力和最小水平地应力。上覆岩层压力是由上覆岩层重力产生的铅垂方向的地应力分量，是该处以上地层总重力（包括岩石基质和岩石孔隙中流体）所产生的压力。
地下存在各种地层压力，钻井工程上通常要考虑“三压力”，即地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力，它们对钻井具有重要影响，有些地层还会出现异常高压或异常低压，在进行钻井设计和钻井作业时均需考虑。地层孔隙压力是地层孔隙中流体所具有的压力，正常地层孔隙压力等于地层流体的静液压力，其值等于从地面到地下某深度处的连续地层水的静液压力，如果其值大于或小于正常地层静液压力则称为异常高压或异常低压。地层破裂压力是地层某深度处的井壁产生拉伸破坏时的压力，而地层坍塌压力是地层某深度处的井壁产生剪切破坏时的压力。钻井过程中，井底液柱压力大于地层孔隙压力时（正压差），已破碎的岩屑会被压紧在井底，从而造成机械钻速降低，这种现象称为压持效应。钻井过程中还需通过控制钻井液的密度从而控制井底液柱压力不能使地层破裂、溢流或坍塌，也即需要控制在地层破裂压力、地层孔隙压力、地层坍塌压力三条压力曲线之间的压力区间，这个钻井液密度我们称之为安全密度窗口。
随着井深增加，井底温度也增加，不同地层其地层温度也不同。钻井过程中采用的钻井随钻测量与控制装置、钻井井下工具、钻井液与固井材料等都需要考虑地层温度的影响，比如超过150℃时，由于抗温能力不够，随钻测量与控制仪器常常失效，高温影响钻井液及固井水泥浆的性能。所以，钻井工程设计与施工过程，必须把地层温度作为最重要的参数予以考虑，通过井下温度实时测量、分析井口温度、建立地层温度模型等综合地分析与获取地层温度，进而指导钻井作业。
地层不仅只有油气，往往还含有地层水以及硫化氢、二氧化碳等气体，钻井时油气水的侵入，将对钻井液造成直接的影响，对井筒的安全造成威胁，容易发生井涌、漏失、坍塌、卡钻等井下事故，甚至发生井喷事故。特别是硫化氢、二氧化碳等有毒有害气体的侵入，不仅会造成钻具、套管、水泥石等损坏，甚至会造成人员的伤亡事故。因此，地层油气水的性质是钻井工程设计与施工作业不可忽视的最重要因素之一。
钻井所面对地下环境非常复杂，需要深入分析与研究岩石的工程力学性质及其对钻井的影响因素、地下各种地层压力特性、地层温度、地层含油气水性质等，才能实现安全、高效、快速钻井的目标。
