實驗室聚焦“非常規油氣資源與工程”，設置5個研究方向：
1. 非常規油氣富集機理與資源分布預測
我國含油氣盆地構造特征復雜、沉積環境相變快、源-儲配置關系多樣，使得非常規油氣資源勘探與預測難度大，形成非常規油氣富集機理與資源分布預測的關鍵理論與技術，是實現我國非常規油氣“增儲上產”的關鍵。
2. “井-地一體”智能油氣探測方法與裝置
建立多物理場耦合響應與數學物理表征模型，創新多相介質多尺度物理場正演方法，突破“井-地一體”信息采集與處理的技術瓶頸，創新研發智能油氣探測方法、裝置與軟件，實現我國非常規油氣資源“智能高效”精準探測，是非常規油氣精細勘探與定量評價的關鍵。
3. 復雜結構井工廠智能鉆完井理論與技術
基于現有非常規油氣水平井鉆完井技術體系，突破復雜結構井工廠智能鉆完井理論與技術瓶頸，形成我國非常規油氣“智能高效”鉆完井技術體系，是提升我國非常規油氣鉆完井技術水平，大幅度提高工程效率和質量、降低作業成本的關鍵。
4. 地質-工程一體化立體開發理論與技術
創建考慮復雜裂縫形態的水力壓裂擴展模型，揭示多物理場耦合滲流機理，創新井工廠體積壓裂改造技術與裝置，形成地質-工程一體化立體開發理論與技術，是實現我國非常規油氣“綠色低碳”規模效益開發的關鍵。
5. 清潔地質能源開發與CCUS理論與技術（培育）
面向國家油氣供應安全和“雙碳”目標的重大戰略需求，推進清潔地質能源高效開發，發展CCUS與油氣協同高效開發理論與技術，探索“全生命周期零碳循環油氣開發”新方法，是油氣能源領域綠色、智能發展的關鍵。
