Globoko vrtanje je vrtanje vrtine na kopnem do globine 1 milje ali več in na morju do globine 5 milj ali več. Te globoke vrtine so izvrtane do teh globin predvsem za zemeljski plin ali nafto; vendar bi lahko vrtino izvrtali, da bi dosegli vodo. Postopek za vrtanje vrtine do takšnih globin je zelo tehničen in lahko vključuje usmerjeno vrtanje, da bi dosegli nahajališča naravnih virov, ne da bi pri tem motili obstoječo rabo površine.
Da bi dosegli naravni vir, se vrtina izvrta tako, da se v tleh izkoplje voda, zemeljski plin ali nafta iz podzemnega nahajališča. Za vsako posamezno podzemno nahajališče podjetje za vrtanje izbere način ustvarjanja vrtine in izkoriščanja naravnih virov. Globoko vrtanje uporablja specializirane svedre in vrtalno cev za dosego podzemnega nahajališča.
Geologi in inženirji sodelujejo pri načrtovanju načina, na katerega bodo dokončali globoko vrtanje, da bi dosegli podzemni vir. Včasih ima podjetje za vrtanje dovoljenje za dostop do naravnega vira z ene lokacije, vendar vir ni neposredno pod lokacijo vrtanja. V teh primerih mora podjetje za vrtanje uporabiti tehnike usmerjenega vrtanja, da doseže nahajališče. Za dosego globokih nahajališč podjetje za vrtanje uporablja kombinacijo tehnik globokega navpičnega vrtanja in tehnik usmerjenega vrtanja.
Postopek globokega vrtanja vrtine je lahko dolgotrajen zaradi meritev in geodetskih raziskav, ki so zaključene, ko se sveder in vrtalna cev spuščata v tla. Te meritve in geodetski pregledi pomagajo vrtalni družbi slediti načrtovanemu procesu vrtanja in potrditi, da je vrtalna družba znotraj pogodbenih omejitev. Vrtalno podjetje na splošno raje vrti čim dlje navpično in ne usmerjeno, ker je vzdrževanje navpične vrtine veliko lažje kot usmerjene vrtine.
Zaradi kombinacije navpičnega in usmerjenega vrtanja v procesu globokega vrtanja, da bi dosegli določeno nahajališče, dolžina vrtalne gredi veliko presega globino vrtine. Globina vsake vrtine je odvisna od naravnega vira, ki ga vrtalno podjetje poskuša doseči, in metod, s katerimi bo pridobilo naravni vir. Vrtine zemeljskega plina, ki za pridobivanje plina uporabljajo velike količine vode, so izvrtane na globini približno 1 milje. Naftne vrtine je mogoče izvrtati do globine 5 milj ali več pod površjem.