双梯度钻井使用直径较小的回流管线从海底把钻井液和钻屑循环到井口。隔水管内充满海水。防喷器组的顶部有一与旋转头类似的设备，其作用是把隔水管中的钻井液从海水中分离出来。设置在海底的钻井液升举系统通过回流管线把钻井液和钻屑输送到井口的泥浆系统。

为了保持海底泵入口的压力与井口处海水的静压力相同，可以使用高密度的钻井液来维持井底压力。钻柱中的高密度钻井液保持钻井液升举泵的出口压力与海水的静压力相等，从而导致钻柱内的压力与海平面下的循环压力的不平衡。压力不平衡造成钻柱内的钻井液自由下落，在泥浆泵排量大于钻井液自由下落速度之前，钻井液会以U形管方式溢出。

通过把入口压力维持在与海水静压力相同，使井眼内有效保持双密度钻井液体系，在较长井段的井眼内把的压力维持在孔隙压力与地层破裂压力之间。双梯度钻井增加了下另一套管柱之前的可钻深度，并可少下三层套管柱。