油气资源成因判识通过天然气组分、甲烷—重烃碳同位素、甲烷氢同位素及He、Ar等惰性气体特征，识别天然气的来源与类型，如生物气、煤成气、油型气、裂解气或无机成因气。例如，甲烷δ¹³C很轻、C₁/C₂⁺很高，常指示微生物成因；重烃碳同位素整体偏重，则可能反映热成因天然气。
烃源岩生气过程评价有机质随埋藏增温经历成岩、生油、生湿气和高成熟裂解等阶段。气体地球化学利用甲烷至丁烷的组成变化，以及δ¹³C、δD等指标，可判断有机质类型、热成熟度和生气阶段。例如，可区分“干酪根直接裂解形成的气”与“原油进一步裂解形成的气”，为深层—超深层天然气资源评价提供依据。
天然气运移、混合与改造示踪天然气从烃源岩进入储层后，可能沿断层、裂隙、不整合面和高渗透层运移，并经历扩散、溶解、泄漏及多源混合。通过烷烃碳同位素序列、甲烷氢同位素、He—Ne—Ar组成和CO₂/³He等指标，可恢复气体运移路径与混源关系。例如，不同层位天然气若具有相近的³He/⁴He和烃类同位素特征，往往说明它们具有共同深部来源或存在连通运移通道。
成藏条件与保存效果评价天然气能否形成工业气藏，不仅取决于是否生气，更取决于储层、圈闭、盖层及断层封闭性。气体组分与同位素能够识别氧化、生物降解、水溶作用和断层泄漏等破坏过程，评价气藏保存效率。例如，CH₄降低而CO₂、N₂升高，或轻组分明显亏损，可能反映气藏受泄漏、氧化或地下水改造影响。
非常规天然气资源评价页岩气、煤层气、致密气和天然气水合物具有多相赋存、吸附—解吸明显、储层非均质性强等特点。气体地球化学可揭示气体来源、热演化程度、扩散分馏、吸附解吸行为及构造保存条件。例如，煤层气中较轻的甲烷碳同位素常保留生物成因信息；页岩气的同位素倒转或分异现象，则可能记录高成熟演化和扩散泄漏过程。
服务勘探部署与开发监测气体地球化学最终面向油气勘探和开发决策。勘探阶段可利用地表气测、钻井气测和流体包裹体分析发现油气异常、追踪气源；开发阶段则可监测层间窜流、外来气侵入、注采响应与储层连通性。例如，生产过程中甲烷、CO₂和He同位素突然变化，可能提示邻层气体进入、断层沟通或注入流体突破。
概括而言，气体地球化学以气体分子和同位素为“示踪剂”，贯穿油气的生成、运移、聚集、保存与开发全过程，是认识油气成因和降低勘探风险的重要手段。
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