中国非常规天然气在过去很长一段时间发展较慢，一方面是受勘探开发关键技术的制约，另一方面是成本高、产量低，技术尚未取得重大突破。近年来，中国石油高度重视致密气、煤层气、页岩气、天然气水合物等非常规天然气的研究和勘探开发工作，中国非常规天然气已进人新的发展阶段。
1）致密气
致密砂岩气藏在平面上大面积分布，纵向上多层叠置，具有丰度相对较低，井控储量较小的特点。致密气勘探领域广阔，中国石油已经形成6大现实致密气勘探领域：
（l）鄂尔多斯盆地苏里格周边及盆地东部；
（2）四川盆地川中、川西；
（3）松辽盆地深层；
（4）塔里木盆地塔西南山前带；
（5）吐哈北部山前带；
（6）渤海湾深层。
有利勘探面积约11．8×104km2，总资源量约10．4×1012m3，勘探开发潜力巨大，在天然气发展中具有重要地位。
随着压裂改造技术等核心技术进步和规模化应用，致密砂岩气勘探开发才取得重大进展，中国石油发现了以鄂尔多斯盆地苏里格、四川须家河组为代表致密砂岩大气区，在松辽、吐哈、塔里木、渤海湾等盆地发现了一批高产的致密砂岩气井，表明中国致密砂岩气分布广泛，资源相当丰富。
“十二五”期间，中国石油依托长庆油田和西南油气田，牵头开展致密气勘探开发技术攻关，主要包括地质选区评价、钻井完井、增产改造和井网加密等4项技术。特别是多层分压和井网加密技术是攻关试验的重点。
2）煤层气
煤层气以吸附气为主，孔隙结构表现为孔隙、裂隙特征，开发需要长期排水降压。据中国新一轮油气资源评价结果，埋深2000m以浅煤层气地质资源量为36．8×1012m3，其中埋深1500m以浅的煤层气可采资源量10．9×1012m3。随着煤层气开采技术不断进步与完善，煤层气将进人快速发展期，累计探明煤层气地质储量6292．7×108m3，2015年地面煤层气产量已达44．3×108m3。
经过近10年的发展，中国石油初步形成了适合不同类型煤层气的勘探开发配套技术，在山西沁水、山西保德、陕西韩城等地成功实现了工业化开采，在鄂尔多斯盆地东缘、吐哈、准噶尔等盆地正在进行开发先导试验。除了在勘探工作取得较大进展外，开发技术日趋成熟，中国石油组建了中石油煤层气有限责任公司和华北油田煤层气分公司两大专业队伍，并储备了中国石油控股的国家煤层气工程中心和中国石油勘探开发研究院（廊坊分院）的煤层气研究所两支煤层气科研力量，还形成了地质选区、钻井完井和增产改造等配套技术，建成国内领先的煤层气专业实验室。
中国石油依托中石油煤层气有限责任公司、华北油田和中国石油勘探开发研究院开展关键技术攻关，包括地质选区评价、实验室测试、钻井完井、增产改造和排水采气等。中国石油将进一步扩大羽状水平井技术推广，并开展低煤阶煤层气勘探开发工作。
3）页岩气
页岩气藏具有吸附气与游离气并存、储层分布广泛、单层厚度大、含气量低和渗透率极低等的特征。中国石油勘探开发研究院通过类比法初步估算中国页岩气资源量为30．7×1012m3，其中三大地区海相页岩气资源量21×1012m3，占总资源的70％，成藏条件尤以南方海相页岩最为有利。页岩气主要分布在三大海相和五大陆相中。三大海相页岩分别是南方古生界页岩、华北地区下古生界页岩、塔里木盆地寒武一奥陶系页岩；五大陆相页岩分别为松辽盆地白要系页岩、准噶尔盆地上二叠统侏罗系页岩、鄂尔多斯盆地上三叠统页岩、吐哈盆地中一下侏罗统页岩和渤海湾盆地新生界页岩。
中国石油在南方初选出威远区块、长宁区块、富顺一永川区块及昭通区块等4个海相有利目标区，并确定在富顺一永川区块、长宁区块和昭通区块的试验区开展现场试验。其中富顺一永川区块已经与壳牌公司合作，而长宁区块和昭通区块作为中国石油独立的页岩气勘探开发示范区，计划“十二五”期间建成15×108m3产业化示范区，形成页岩气勘探开发工程配套技术。
中国石油依托西南油气田分公司、浙江油田公司、中国石油集团川庆钻探工程有限公司、中国石油勘探开发研究院开展地质选区、致密岩心测试、水平井钻完井、增产改造和经济评价技术联合攻关。特别是依托中国石油勘探开发研究院国家能源页岩气研发（实验）中心研制高精度含气量测试技术，页岩微观孔隙评价技术及脉冲式低渗透岩石渗透率测试技术。依托西南油气田、浙江油田、中国石油集团川庆钻探工程有限公司，开展水平井钻完技术攻关和现场试验；实现通过采用三维地震资料进行水平井井位优化部署，设计井眼轨迹及方位；实现通过钻直井采集资料，并在原直井段套管开窗侧钻水平井，长井段完井基本能沟通天然裂缝；实现采用低密度高强度水泥固井的套管技术，减少了对储层的伤害，射孔采用长井段多簇射孔。下一步重点攻关大井段射孔、多簇改造等关键技术。
4）天然气水合物
天然气水合物在尚处于前期研究和资源调查阶段。与国外天然气水合物发展历程相比，天然气水合物研究工作起步较晚。中国石油重点依托中国石油勘探开发研究院开展跟踪调研研究，并在中国石油南海矿权区开展地震资料处理研究，初步发现了天然气水合物存在的证据。