2011年8月成立，由中国石化石油勘探开发研究院牵头建设，定位于“海相深层-超深层”和“页岩油气”方向，主要聚焦油气成藏富集机理及关键装备与技术研发。实验室拥有傅里叶变换离子回旋共振质谱仪、聚焦离子束扫描电镜等大中型仪器设备160余台（套），自主研发设备30多台（套），是油气地质、地球化学理论与实验技术的创新基地。实验室支撑了“页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室”、“国家能源页岩油研发中心”和“国家能源碳酸盐岩油气重点实验室”的建设。