井下地层由各类岩石组成，不同的岩石具有不同的物理、化学性质。为了研究各类岩石的物理性质及井下地层是否含有石油天然气和其他有用矿产，建立了一门实用性质很强的边缘学科——测井学，简称“测井”。它以地质学、物理学、数学为基础，采用计算机信息技术、电子技术及传感器技术，设计出专门的测井仪器，沿着井身进行测量，得出地层的各种物理化学性质、地层结构及井身几何特性等各种信息，为石油天然气勘探、油田开发提供重要的数据和资料。测井的井场作业由测井地面仪器、绞车和电缆组成，通过电缆把下井仪器放到井底，在提升电缆过程中进行测量。地球物理测井包括电测井、电磁波传播测井、地层倾角测井、全井眼地层微电阻率扫描成像测井、声波测井、核测井、核磁共振测井和热测井等几种。
其中，成像测井采集信息多、精度高，不受干扰，能准确确定地层的真正电阻率，是解决复杂储层测井评价的有力手段。地球化学勘探法简称油气化探，是利用化学分析方法对岩层、土壤、气体和水中的各种成分进行分析，测定地下油气扩散所引起的各种化学变化，分析地下油气存在与分布的情况，通过地球化学异常的，寻找油气矿产资源的一种方法，包括气测法、沥青法、水化学法等。气测法是利用灵敏的气体分析仪测定土壤、表层岩石或水中的碳氢化合物气体含量的方法。沥青法包括测定发光沥青、沥青“A”测井等方法。各种方法在地面和井下测得异常时，说明本地区有着油气生成、运移、扩散和氧化的过程存在，用来评价该区、该层含油气远景。水化学法主要是研究水中所含盐类、微量元素、其它成分的含量、水型以及它们在地表的分布情况。
以进行含油气可能性的判断。石油地质综合研究水平，关系石油、天然气勘探开发的速度和效益。现代油气勘探是从石油地质综合研究开始，应用新技术、新理论和创新思维，对有勘探前景的沉积盆地进行综合评价，计算油气资源量，研究盆地、凹陷油气藏成藏条件，指出富油气凹陷的有利区带和勘探目标，制订钻探计划，力争用较小的投入、较短的时间取得勘探突破。石油地质综合研究，包括板块构造研究、地震地层学和层序学研究、生油岩与生油条件研究、地球物理勘探技术方法研究、含油气体系和成藏动力学研究、盆地分析与资源评价研究、油气勘探规划部署研究、油气勘探经验研究等。组成地壳的岩石有着不同的磁性，可以产生各不相同的磁场，它使地球磁场在局部地区发生变化形成磁异常。
利用仪器测定这些磁异常，研究它与地质构造的关系，根据磁异常特征作出关于地质构造及矿产分布的预测，这就是磁力勘探的实质和主要任务。磁力勘探包括地面磁测、磁测、海洋磁测和井中磁测等。磁力勘探也要根据地质要求部署测线，测量测线上各点的磁力值，并据此编制磁力异常图。勘探家对地质、地震、重力、磁力、电法等各种图件进行综合性分析，得出必要的结论，以指导勘探。磁力共振在确定火成岩分布和区域地质结构上有较好的效果。精度磁力勘探可以确定地质构造，和地震勘探寻找圈闭有异曲同工之处。电法勘探是根据不同岩层具有不同的导电性的特点，来研究地下构造形态的方法。主要有两种方法：一是大地电流法，是通过测定地球内部的天然电流大小来研究地下构造；
二是较常用的垂向探测法，即人工向地下通入电流(即人工电场)，再在地面上测定人工电场的电位变化。这些电位变化与岩层的性质、岩层的构造有关，因而可以用来研究地质构造。垂向测深法能大致确定地下的构造的形态和埋藏深度，供勘探家研究参考；大地电流法可为研究盆地区域结构，基底起伏状况等提供一定信息。遥感技术是指从远距离、高空或外层空间平台上，利用可见光、红外、微波等探测器，通过摄影、扫描，对电辐射(包括发射、反射、吸收和透射)能量的感应、传输和处理，从而识别目标物的性质和运动状态的系统技术，从而判认地球环境和资源。它是20世纪60年代，在摄影和判读基础上随航天技术和电子计算机技术的发展，而逐渐形成的综合测技术。
尤其是地球资源卫星给地面拍摄的相片，能够把地形和各种岩石分布、地质形象、构造现象等一览无余地记录下来。这些照片经过地质解释和绘制工作，就成为勘探人员所需要的“地质图”。因此，遥感技术成为险恶地形、高寒缺氧地带等生命地质勘探的良好技术手段。野外地质调查、地震、重力、磁力、电法、遥感等勘探技术的运用，都是为了寻找可能含有石油、天然气的地质圈闭，也就是通常说的勘探目标。但是，地质圈闭是否含有石油、天然气，还需要通过钻井来解决。在探井钻探过程中，为了及时捕捉住油气层，要小心谨慎地进行地质录井，包括岩屑录井、钻时录井、泥浆录井、气测录井、岩心录井等。地质录井有两项任务：一是了解地层岩性，了解钻探地区有无生油层、储层、盖层等；二是了解含油气情况，包括油气性质、油气压力、含油气丰度等。