延长组下部主要为灰绿、肉红色块状中、粗粒长石砂岩夹紫红色、灰黑色粉砂质泥岩及砾岩;中部变为为紫红色、灰绿色泥岩与块状砂岩互层,顶部夹薄层灰黑色页岩、 炭质页岩及油页岩,向上为深灰色泥质岩与灰色粉细砂岩薄互层;上部厚层块状砂岩发育,以浅灰绿色中细砂岩为主,夹深灰色泥质岩及少量煤线。
延长组是鄂尔多斯盆地中著名的含油地层,被细分为十段,构成了五个沉积旋回,沉积环境由地层下部平原河流相转变为中部的浅湖-半深湖相,至延长组上部湖盆逐渐消亡,转变为河湖沼泽相。延长组地层按照沉积旋回自下而上分为五段,自上而下对应10个油层组。
第一段(T3y1):主要为灰绿、肉红色块状中粗粒长石砂岩夹紫红色、灰黑色砂质泥岩及砾岩。砂岩因为浊沸石胶结而普遍具有麻斑状结构。为湖盆初期平原河流相为主的沉积。
第二段(T3y2):本段进入湖盆发育的全盛时期,为一套滨浅湖-半深湖相沉积。下部(长9)在陕北地区为紫红色、灰绿色泥岩与块状砂岩互层,顶部夹薄层灰黑色页岩、炭质页岩及油页岩(习称“李家畔页岩”);中部(长8)沉积条件趋于稳定,岩性全区相近,为一套深灰色泥岩、炭质泥岩夹中厚层粉细砂岩,顶面一般为薄层凝灰岩;上部(长7)岩性为黑色页岩、油页岩、灰黑色泥岩与深灰色粉细砂岩互层夹薄层凝灰岩(习称“张家滩页岩”)。
第三段(T3y3):为湖盆衰退阶段,为一套滨-浅湖沉积。下部(长6)为砂岩较集中段,岩性为灰色细砂岩夹灰黑色泥岩,上部(长4+5)以灰黑色泥岩为主夹粉砂岩。
第四段(T3y4):本段沉积时湖盆开始萎缩,水体变浅,河流三角洲发育。下部(长3)自中厚层状砂岩开始,往上为深灰色泥质岩与灰色粉细砂岩薄互层;上部(长2)厚层块状砂岩发育,以浅灰绿色中细砂岩为主,夹深灰色泥质岩及少量煤线。
第五段(T3y5):为湖盆萎缩至消亡阶段,为一套河、湖沼泽相沉积,发育浅灰绿色中细砂岩与深灰色泥质岩薄互层,夹较多煤层及煤线。砂岩厚度变化大,一般呈透镜状分布。
长10期为湖盆初始扩张期,发育水进条件下向上变深、变细的退积型沉积序列。表现为:长10油层组下部为曲流河沉积。很快盆地开始下沉,于长10早中期形成浅湖沉积环境,此后直到长6期,本区一直处于水下环境,三角洲前缘和浅湖沉积交替出现。这表明湖盆发生了有规律的小幅升降运动。
从长4+5期开始,湖盆逐渐萎缩(缩小)消亡,至长2早中期发育三角洲平原沉积,从长2中期至长1期,演化为曲流河沉积。