深层油气主要指埋深在4500米以深的油气资源，人们所找到的油气资源大多富集在地表以下1500～3000米的岩层内，在地壳深处有石油和天然气资源吗？
地球上每年都有大量的火山喷发，会带出大量的气体。东非大裂谷中的基伍湖位于目前仍有活动的大裂谷带，此裂谷带延伸到了红海，湖底的水中含有大量的甲烷。1984年，勘探家发现从红海底喷出的热卤水中也含有大量的甲烷。
在欧洲大陆的伏尔加—乌拉尔含油区的鞑靼隆起处钻的两口井，穿过基底以下2000～3000米，在前寒武纪花岗岩和变质岩中，发现轻质油、沥青和烃气；在科拉半岛上钻的11．6千米超深井，在基底结晶岩中发现沥青包裹体和含有高浓度烃、氮气和氦气的盐水流；在我国塔里木盆地井深达6000米以上的沙参2井奥陶系白云岩的高产油气流中氦气含量很高；麦盖提斜坡的麦3井石炭系高产油气流中含丰富的氦气。这些均证明深部含有丰富的天然气。
与勘探家熟悉的中浅层相比，深层的油气生成具有明显的不同。在中浅层，勘探对象主要是石油，天然气为辅；而到了深层，则主要勘探对象是天然气和凝析油。这些转变，与深部的地温和压力增加有着密切的关系。
深层天然气藏分布广泛，在地下4～8千米深处，不论有机质自身的成分如何，都能生成大量的天然气和少量液态烃。世界上已有70多个国家进行了深度超过4500米的油气钻探，地质勘探与综合研究成果证实，深层具有工业性烃类聚集，资源量相当丰富。超过5000米的深井，有将近4/5的储层产天然气或凝析气，只有1/5的储层产轻质原油。俄罗斯油气产量极高的田吉兹巨型油田，埋深3900～5400米，储层为距今大约3．5亿年前形成的上泥盆统—中下石炭统碳酸盐岩，广泛发育的裂缝、淋滤孔与溶孔作用使储层具有良好的储集性能。近年来，我国不断加大陆上深层、超深层油气勘探开发力度，年钻超深井200口以上，不断刷新我国钻井井深纪录。
塔里木盆地是我国陆上油气增储上产潜力最大的盆地之一，埋深超过6000米的石油和天然气资源分别占全国的83．27％和63．9％。1984年9月，塔里木盆地的塔北沙雅隆起雅克拉构造上部钻探的沙参2井在钻至井深5391．8米的奥陶系白云岩时，喜获高产油气流，日初产原油1000立方米，天然气200万立方米，从而实现了中国深层古生代海相碳酸盐岩油气田的首次重大突破。从此，塔里木盆地油气勘查工作有了历史性的转折，拉开了在塔里木找大油气田的序幕。塔里木盆地勘探开发全面进入超深层，已建成我国最大超深层油气生产基地，其中超过8000米的深井有150余口。当前，塔里木盆地深地探井塔科1井钻探正酣，该井设计井深1．11万米，由我国自主研制的全球首台1．2万米特深井自动化钻机驱动，是我国首口万米深地科探井，挑战人类深地探索的极限。
深井、超深井、特深井：通常油气行业将井深4500～6000米的井定位为深井，6000～9000米的井为超深井，超过9000米的井为特深井。越往深部，地下压力越大，温度越高，到达一定深度后，每向下一米，难度呈几何倍数增长。我国科研人员研发关键核心技术装备，实现了深井超深井从“打不成”到“打得快、打得准”的跨越。