การสำรวจหาแหล่งปิโตรเลียม เป็นการหาพื้นที่ซึ่งอาจมีชั้นหินกักเก็บปิโตรเลียมอยู่ โดยสามารถแบ่งขั้นตอนได้เป็นดังนี้

ขั้นตอนการสำรวจหาข้อมูล (Exploration)

ในการสำรวจหาแหล่งปิโตรเลียม นักธรณีวิทยาจะใช้วิธีการสำรวจอยู่หลายวิธีด้วยกัน ดังนี้

1. การขุดเจาะหลุมเพื่อเก็บตัวอย่างหิน (Core Drilling) เป็นวิธีการที่อาศัยการขุดเจาะและเก็บตัวอย่างหินในหลุมเจาะขึ้นมาจากหลุมเจาะหลาย ๆ หลุมในบริเวณที่ทำการศึกษา และอาศัยการศึกษาตัวอย่างของหินจากหลุมเจาะ รวมทั้งระดับที่แน่นอนของตัวอย่างหิน ก็จะสามารถเปรียบเทียบชนิดของชั้นหิน และโครงสร้างของชั้นหินในบริเวณที่ศึกษาได้
2. การสำรวจโดยคลื่นสั่นสะเทือน (Seismic Prospecting) เป็นวิธีการที่อาศัยความรู้และหลักการของคลื่นไหวสะเทือนโดยอาศัยวัตถุระเบิด สำรวจโดยการขุดเจาะหลุมตื้นประมาณ 50 เมตร เพื่อใช้เป็นจุดระเบิด เมื่อจุดระเบิดขึ้น จะก่อให้เกิดคลื่นไหวสะเทือนวิ่งผ่านลงไปในชั้นหินและเกิดการสะท้อนกลับขึ้นมาสู่ผิวดิน และคำนวณหาความลึกที่คลื่นไหวสะเทือนนี้เดินทางได้ จากนั้นก็จะสามารถทราบโครงสร้างทางธรณีข้างล่างได้
3. การสำรวจโดยความโน้มถ่วง (Gravity Prospecting) เป็นวิธีการที่อาศัยความแตกต่างกันของค่าความถ่วงจำเพาะของหินชนิดต่าง ๆ ภายใต้เปลือกโลก ถ้าชั้นหินวางตัวอยู่ในแนวระนาบ จะสามารถวัดค่าความโน้มถ่วงที่คงที่ได้ แต่หากชั้นหินการเอียงเท ค่าของความโน้มถ่วงที่วัดได้จะแปรผันไปกับการวางตัวหรือโครงสร้างของชั้นหินนั้น ซึ่งก็จะทำให้ทราบลักษณะการวางตัวและโครงสร้างของชั้นหินนั้นได้จากการแปลผลข้อมูลที่ได้มา

ทั้งนี้ วิธีการทั้ง 3 วิธีการดังกล่าวข้างต้นนี้ ทำให้ทราบได้ว่าโครงสร้างที่พบนั้นมีความเหมาะสมแก่การเป็นแหล่งกักเก็บน้ำมันมากน้อยเพียงใด แต่ไม่ได้บ่งชี้ชัดเจนว่าชั้นหินนั้นจะเป็นชั้นหินกักเก็บน้ำมันหรือไม่ โดยการสำรวจมีวิธีแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับลักษณะภูมิประเทศ หลังจากได้ข้อมูลการสำรวจแล้วจะกำหนดแผนการเจาะเพื่อพิสูจน์การมีการสะสมของปิโตรเลียมต่อไป

ขั้นตอนการขุดเจาะ (Drilling)

เป็นการขุดเจาะหลุมเพื่อการผลิต โดยหลังจากที่ทำการสำรวจทางธรณีวิทยา จนทราบว่าน่าจะมีปิโตรเลียมอยู่ในบริเวณใดบ้าง ก็จะต้องทำการเจาะหลุมสำรวจ (Exploration Well) โดยใช้วิธีสุ่มเจาะ เพื่อสำรวจหาปิโตรเลียมในบริเวณที่ยังไม่เคยมีการเจาะพิสูจน์มาก่อน จากนั้นก็จะมีการประเมินคุณค่าทางเศรษฐกิจและหาขอบเขตของแหล่งกักเก็บนั้น เพื่อให้แน่ใจว่าแหล่งกักเก็บนี้มีปริมาณมากพอในเชิงพาณิชย์ จึงจะทำการเจาะหลุมเจาะเพื่อนำปิโตรเลียมที่สะสมตัวอยู่นั้นขึ้นมาใช้ประโยชน์ต่อไป

หลังจากที่สำรวจทางธรณีวิทยาและธรณีฟิสิกส์ด้วยการวัดคลื่นความไหวสะเทือน (Seismic Survey) และแปลความหมายเพื่อหาแหล่งกักเก็บปิโตรเลียมอยู่ตรงส่วนใดบ้างใต้พื้นดินและกำหนดจุดเพื่อทำการเจาะสำรวจ คราวนี้ก็เป็นหน้าที่ของเจ้าหน้าที่ฝ่ายขุดเจาะที่ต้องทำการเจาะ "หลุมสำรวจ" (Exploration Well) โดยใช้วิธีเจาะสุ่มซึ่งเราจะเรียกหลุมชนิดนี้ว่า ‘หลุมแรกสำรวจ’ (Wildcat Well) เพื่อสำรวจหาปิโตรเลียมในบริเวณที่ยังไม่เคยมีการเจาะพิสูจน์เลย จากนั้นเมื่อถึงขั้นตอนของการประเมินคุณค่าทางเศรษฐกิจและหาขอบเขตของแหล่งกักเก็บปิโตรเลียม เราจะเจาะหลุมที่เรียกว่า "หลุมประเมินผล" (Delineation Well) และหลังจากที่เราแน่ใจแล้วว่ามีแหล่งกักเก็บปิโตรเลียมในปริมาณที่มากพอในเชิงพาณิชย์ เราจึงเจาะ "หลุมเพื่อการผลิตปิโตรเลียม" (Development Well) เพื่อนำปิโตรเลียมที่สะสมตัวอยู่ใต้พื้นดินขึ้นมาใช้ประโยชน์ต่อไป

การขุดเจาะหลุมเพื่อสำรวจและผลิตปิโตรเลียมนั้นเป็นงานที่ท้าทายและมีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากเราต้องขุดไปที่ความลึกประมาณ 3-4 กิโลเมตรใต้พื้นทะเล ในสมัยก่อนการขุดเจาะหลุม 1 หลุมนั้นต้องใช้เวลากว่า 60 วัน โดยใช้งบประมาณกว่า 5 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ต่อหลุม [ต้องการอ้างอิง]ซึ่งถือว่าเป็นการลงทุนที่สูงและมีความเสี่ยงมาก เพราะหากเราขุดไปแล้วพบปริมาณน้ำมันหรือแก๊สธรรมชาติที่ไม่คุ้มค่าในเชิงพาณิชย์ การลงทุนนั้นก็สูญเปล่า แต่ในปัจจุบัน ด้วยเทคโนโลยีที่พัฒนาและทันสมัยมากยิ่งขึ้น ระยะเวลาในการขุดเจาะลดลงเหลือเพียง 4-5 วันต่อ 1 หลุม และใช้งบประมาณน้อยลงกว่าเดิม

ขั้นตอนการผลิต (Production)

หลังจากที่มีการขุดเจาะเอาปิโตรเลียมขึ้นมาแล้ว ปิโตรเลียมที่ได้ก็จะผ่านเข้าสู่กระบวนการต่าง ๆ บนแท่นเพื่อแยกเอา น้ำ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และสารปนเปื้อนอื่น ๆ ออกจากน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาตินั้น เพื่อนำเอาน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติไปใช้ในการผลิต

ขั้นตอนการสละหลุม (Abandonment)

ในกรณีที่ของหลุมที่ไม่ได้ใช้ประโยชน์แล้ว จะมีการอัดซีเมนต์ลงไปตามท่อผลิต เพื่อป้องกันไม่ให้ของไหลที่มีอยู่ในชั้นหินไหลไปสู่ชั้นหินอื่น ซึ่งอาจไปทำลายชั้นหินกักเก็บปิโตรเลียมใกล้เคียง หรือเข้าไปปนเปื้อนกับชั้นน้ำใต้ดินได้