在農礦部地質調查所，孫健初參加和主持了一系列地質調查活動。1934年，孫健初和侯德封進行了歷時5個月的黃河上游地質調查。1935年初，中央地質調查所組成以翁文灝為主任、黃汲清為副主任的中國地質圖編纂委員會。孫健初為委員，并負責青海、甘肅、寧夏地區的地質調查，歷時8個多月。1937年，孫健初根據中央地質調查所安排，又參加“西北地質礦產試探隊”，開始在甘肅、青海部分地區進行石油勘探，第二次來到玉門。1938年至1939年由孫健初主持的玉門油田勘探，取得成功，轉入正常開發，此后孫健初即全力從事石油地質工作。1942年至1944年，去美國考察油田，進修石油地質，寫出《美國地質概況及其尋究石油之方法》和《發展中國油礦綱要》。1946年，孫健初任甘肅油礦局探勘處處長（后改為中國石油公司甘青分公司勘探處）。中華人民共和國建立前夕，為防止國民黨軍隊的搶掠、破壞，孫健初不顧個人安危，組織職工巡邏護廠，將全部勘探儀器和地質資料裝箱密封，妥為保護。1949年8月，蘭州解放后，彭德懷、賀龍親自到勘探處，對孫健初和勘探處職工的護廠功績倍加贊揚。
1950年，孫健初出席中國第一次石油工作會議，提出西北石油勘探計劃，被任命為石油管理總局探勘處處長。后又擔任西北財政經濟委員會委員等職，并參加編制中國石油勘探方案的領導工作。1951年，在北京石油工業展覽會上，孫健初向毛澤東主席匯報了中國石油工業發展情況及遠景。1952年10月，為了適應大規模經濟建設和發展石油工業的需要，孫健初主持開辦了第一期石油地質干部訓練班，親自講課，參加討論，指導總結。這批學員后來都成為中國石油地質界的中堅。
1952年11月10日深夜，孫健初同志不幸因煤氣中毒逝世，終年55歲。
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