В 1965 г. Сергей Васильевич уезжает в Тюмень. Здесь он получает должность заведующего лабораторией математической обработки Западно-Сибирского научно-исследовательского геологоразведочного нефтяного института (ЗапСибНИГНИ) и преподает в Тюменском индустриальном институте. В руководимом им коллективе он сумел создать атмосферу подлинного научного творчества и сохранял рабочие и дружеские отношения с сотрудниками до последних дней своей жизни. Вот что вспоминает бывшая сотрудница его лаборатории к.ф.-м.н. Валентина Александровна Белкина: «Работа занимала большое место в жизни всех членов нашей лаборатории. Появившиеся недавно вычислительные машины были громоздки в физическом плане, но очень “слабы” по своим вычислительным возможностям. Сергей Васильевич был увлечён в этот период автоматизацией интерпретации сейсмических данных, изучением аналитических свойств сейсмических полей, причём не только в вещественном, но и комплексном пространстве. Идеи так и выплёскивались из него. Перекладывать их на компьютеры языками программирования того времени было нелёгкой задачей. Но это было интересно, захватывающе и рамки рабочего дня были тесными для нас». И далее: «В то время сотрудников НИИ часто посылали в колхозы. Конечно, Сергей Васильевич, как руководитель лаборатории, кандидат наук (а их в то время были единицы, по крайней мере, в ЗапСибНИГНИ) мог пропускать эти поездки. И, может быть, с точки зрения эффективности научного труда, экономики, это было бы и правильно. Но он по своим моральным убеждениям часто выезжал с нами. И тогда эти поездки превращались в праздник, сразу начинались азартные состязания, кто быстрее, лучше и это под его непрерывные остроумные шутки, выдумки».
За эти годы Сергей Васильевич подготовил и опубликовал (вместе с коллегами) около трех десятков работ по следующим вопросам:

• анализ интерференционных систем в геофизике,
• методы обнаружения и корреляции сейсмических волн,
• статистические методы интерпретации систем годографов,
• цифровая фильтрация сейсмограмм и распознавание образов,
• спектрально-статистический метод,
• классификация геологических объектов,
• методы регуляризации в решении численных задач геофизики,
• теория расчлененных (многоступенчатых) алгоритмов.

В начале 70-х гг. совместно с А.М. Волковым и Н.А. Гольдиной (его первой женой) он опубликовал монографию «Аксиоматическая классификация залежей нефти и газа и ее применение для описания месторождений Тюменской обл.». В этой работе авторам удалось решить ряд достаточно сложных проблем теории классификации. В частности было исследовано взаимоотношение между понятием тело и граница тел, если последние определяются через признаки, на образцах конечного размера. Итогом этой работы было автоматизированное описание месторождений по набору традиционных экспериментальных данных.
Одним из первых в стране С.В. Гольдин начал преподавать курс по цифровой обработке сейсмических данных. Разработанный им курс лекций впоследствии лег в основу его широко известной монографии «Линейные преобразования сейсмических сигналов» (1974). В книге были изложены вопросы реализации и устойчивости фильтров различного типа. Книга и сейчас популярна среди геофизиков, занимающихся цифровой обработкой сейсмических данных.