به مجموعه عملیاتی که از اکتشاف تا پیش از پالایشگاه در زمینه تولید و استخراج نفت انجام می گیرد، صنایع بالادستی گفته می شود. این عملیات شامل اکتشاف، حفاری، بهره برداری و مدیریت مخازن می شود.

زمینه های کاربردی فناوری نانو در صنایع بالا دستی نفت در 8 دسته کلی شناسایی شده اند:

• نانو ذرات: در سیمان کاری بین لوله های جداری و دیوار چاه، در حفاری غیرتعادلی، در جلوگیری از چندفازی شدن سیال در خطوط لوله، در تزریق کف برای جلوگیری از پدیده مخروطی شدن، در گل حفاری و الماس واره ها.
• نانو سنسورها: در لرزه نگاری برای اکتشاف مخازن نفتی، در نمونه گیری از چاه، در مته های حفاری جهت تشخیص جنس لایه ها، در نمودارسنجی حین حفاری، در نمودارگیری گل حفاری، در حفاری تاپ درایو، در اندازه گیری حین حفاری، در آزمایشگاه روی تراشه
• نانو کامپوزیت ها: در ایجاد شکاف مصنوعی در مخازن نفتی، در لوله های تابیده در حفاری چاه نفتی، در حفاری افقی و زاویه دار، در توپک رانی برای بهره برداری از چاه های نفت، نانو کامپوزیت های فولادی با کسید ایتریوم در جداره چاه های نفتی، نانو کامپوزیت های پلیمری در ازدیاد برداشت مخازن نفتی.
• نانو پوشش ها: کابرد پوشش های نانو کامپوزیتی درحفاری مته های حفاری، کاربرد نانو پوشش ها در حفاری توربودریل.
• نانو کریستال: در مشبک کاری لوله های جداره چاه های نفتی.
• نانو محاسبات: لرزه نگاری برای اکتشاف مخازن.
• نانو سیالات: در یکسان سازی فشار روی مخازن.
• نانو فیلترها: در جداسازی آب، نفت و گاز در محل چاه های نفت.