研究方向之一：含油气盆地动力学与油气成藏理论

含油气盆地动力学是研究盆地油气成烃、成藏规律的基础理论，而复杂油气藏的成藏理论成为指导该类油气藏勘探的基础理论。实验室建立初期组建了相应研究团队，长期坚持开展中国西部盆地动力学与油气成藏理论研究。通过近30 多年的研究，在西部含油气盆地动力学及复杂油气成藏领域取得了众多的研究成果。针对该领域存在的科学问题，重点开展含油气盆地动力学过程及演化、盆地成藏物质充填及分布规律、复杂油气藏成藏动力学机制及过程、复杂油气藏分布规律及资源潜力分析。  

研究方向之二：油气储层地质学理论与预测方法技术

油气储层是盆地油气储集场所，是构成油气藏的基本要素，是油气勘探开发的对象。开展油气储层地质学特征研究，预测盆地油气储层分布，成为盆地油气勘探开发的核心基础理论问题。近30 多年来，在西部含油气盆地碳酸盐岩、致密砂岩储层的储层成因、储层分布规律等方面取得了众多的研究成果，近些年来开展了页岩气、煤岩储层等地质评价研究。针对该领域存在的科学问题，重点开展含油气盆地致密砂岩储层的形成及分布评价、含油气盆地深层碳酸盐岩储层形成及分布评价、非常规（页岩、煤岩、水合物等）油气储层特征及分布评价、盆地深层优质储层的地质-地球物理预测理论及技术。  

研究方向之三：复杂油气藏开发开采理论与方法

流体复杂、储层介质复杂以及流体-岩石相互作用复杂是制约复杂油气藏开发开采的关键，复杂油气藏开发开采包括油气相变行为、油气渗流、增产改造以及提高采收率重要环节。针对复杂油气藏开发的基础理论和关键技术难题，凝炼基础科学问题，以认识油气藏、开发油气藏和改造油气藏为主线，开展复杂油气藏基础和应用基础研究，取得复杂油气藏开发开采理论创新和技术突破，形成有重要影响的新认知新理论。主要包括复杂油气藏渗流理论与应用、复杂油气藏相变行为与应用、储层增产改造基础理论及关键技术、提高采收率基础理论及配套技术等研究。  

研究方向之四：复杂油气藏钻完井理论与关键技术

当前油气勘探开发面对资源品质劣质化、油气目标复杂化、安全环保严格化的严峻挑战，我国油气勘探开发目标正从浅层向深层超深层、从陆上及浅海向深海、从常规油气藏到非常规油气藏发展。复杂油气藏钻完井是勘探和开发油气田的重要环节。针对复杂油气藏钻完井的基础理论和关键技术难题，建立新理论，发明新方法，开发新材料，研制新产品，建立新工艺，产生新的核心关键技术，形成复杂油气藏钻完井工艺和工作液的基础理论及关键技术。主要包括特殊工艺井基础理论及关键技术、深井/复杂井工作液及钻完井基础理论与关键技术、高危气井/海洋深水井安全钻完井基础理论及关键技术等研究。  

研究方向之五：深海天然气水合物开发理论及关键技术

2014 年实验室第四届学术委员会第四次会议确定将深海非成岩水合物和成岩水合物开发理论和关键技术的研究作为未来实验室的重要研究方向。重点开展深水天然气水合物采掘破碎工艺方案研究、深水水合物采掘物理模拟系统及方法研究、深水水合物采掘工具研究。2017年5月25日，全球首次针对海洋浅层、弱胶结、非成岩水合物，成功实施海洋天然气水合物固态流化试采，本次试采采用我室自主创新研制的全套海洋天然气水合物固态流化试采工艺流程和配套装备，以荔湾3为目标靶区，全球首次成功组织并实施了水深1310米、埋深117-192米的水合物固态流化试采，在海洋天然气水合物试采方面进行了具有重大意义的探索。