1914年2月，北洋政府与美孚石油公司签订了《中美陕直二省石油合同》，合作勘探开发“陕西省延安府和直隶省承德府以及两处附连地方的石油”。这个合同是在袁世凯复辟帝制的大环境下达成的，具有不平等性质。当时的舆论界普遍认为，这是一个“将开发陕西和直隶油田的矿权让与外国利益集团的密约”。北洋政府为此成立“筹办全国煤油矿事宜处”，公布《矿业条例》，规定煤油矿为国家，商民不得私自经营，将商办各矿一律停办，收归国有。美孚首先对承德地区调查，认为该处是“沥青石油，不是井油”，决定放弃。接着，中美双方派出地质人员调查陕西石油，美孚方面派出5名地质师及助手、测量人员等；中国方面派出10名矿业人员及服务人员、卫兵等。双方人员混合编队，于1914年秋入陕，对陕北5万平方公里地区做了地质普查，测量线路约400千米。在延长、延安、延川的永坪、甘泉的石门子、宜君的东部及七里镇一带，进行了地质详查，测成面积约100余平方公里的1：12000的地形图，并予以评价。将潼关、宜君、洛川、甘泉、延安、安塞、安定、延长、延川、宜川等县，列为最有希望的产油区域，陆续提供了钻探井位。1915年2月，美孚地质师马栋臣撰写了《陕西地质调查总报告》。他在报告中肯定了四点：(1)陕西确系产油；(2)油质极佳；(3)分布极广；(4)产量足够供商业需要。
在进行地质调查的同时，展开钻探。1914年6月，在延长成立了中美油矿事务所。9月，3台以蒸汽为动力的顿钻运到陕北，钻井技师同时到达。各钻机均配备中国工人。到1916年初，共钻探井7口，总进尺5958米，有2口井见少量油气，3口井见油气显示，2口井为干井。钻探未获工业油流。
根据钻探结果，美孚地质师阿世德于1916年2月撰写了《陕西地质调查最后报告》。其内容对马栋臣所写的报告肯定了前三点，否定第四点。他说：“以宜君一带地质而论固属极有希望，然陕北各区若延长、永坪等油田，实非可以多产量石油者。一年来经各技师详细观察，即小有希望之背斜亦无良果。陕西北部不但地面形势不宜聚油，即以石质论非能有整齐相同之砂石及页岩，而仅有零落之页岩和砂石。此皆不能聚油之证据。”这个报告直接影响到美孚的决策者，认为陕北钻探“所得油量甚属稀少”，“没有一口井的产量有工业价值”。兼以双方磋定“中美合资公司章程遂无成议”等因，决定地质、钻探人员全部回国，标志着中美陕北石油勘探失败。
