鄂尔多斯盆地是一个奠基在两个不同体系基础上结合而成、具“复杂基底结构”的晚古生代、中生代大型含油气盆地。在元古宇结晶基底上从下至上发育有寒武系、下奥陶统、中上石炭统、二叠系、三叠系、侏罗系、古近系—新近系、第四系沉积（表2-2）。其中，二叠系下石盒子组、山西组，石炭系太原组为大牛地气田的主要目的层系（图2-2）。
表2-2 鄂尔多斯盆地地层简表
寒武系：岩性一般下部为滨海相的碎屑岩建造、含磷建造，为棕红色、紫红色、灰绿色页岩，灰色、灰白色石英砂岩、含砾砂岩或砾岩普遍发育波纹、泥裂和斜层理，有时具有食盐假晶，夹泥灰岩、鲕状灰岩透镜体及磷块岩或含磷砂岩；上部为浅海相碳酸盐岩建造，为泥灰岩白云质灰岩、鲕状灰岩、竹叶状灰岩、硅质灰岩和结晶灰岩夹少量页岩。厚度一般从西、西南、南往北、北东方向变薄，一般厚200～600m。
下奥陶统：为一套浅海相碳酸盐岩建造，中下部为一套为白云、白云质灰岩、泥质灰岩、硅质灰岩及含燧石结核灰岩，夹少量页岩；上部为一套质纯的块状灰岩、豹皮灰岩，至顶部在东部常夹潟湖相薄层泥质灰岩和石膏层。厚一般为300～500m。
上石炭统本溪组：下部为潟湖-海湾边缘沉积的铝土质粘土岩，属风化壳之上的坡积、残积物再沉积而成，向上变为砂泥岩互层夹煤岩，厚0～40m，仅在古地形低凹处有沉积。铝土质粘土岩电性特征为高伽马、高电阻、高密度、高中子，厚1～15m，全区分布较稳定，少数井（大16井、大18井、大26井、鄂5井、DK9井）不发育。
图2-2 大牛地气田目的层系钻井综合柱状图
上石炭统太原组：为一套滨浅海相、沼泽-潮坪相沉积，厚度一般为40～70m，可分为太一、太二段。其中，太一段为砂、泥岩互层夹煤层，局部夹灰岩透镜体，其顶部的煤层厚8～10m，地震反射波为一强相位（T9b），测井曲线具有高电阻率、高声波时差和低自然伽马的特征。该煤层分布比较广泛，横向连续性好，在钻井剖面和地震剖面上很容易识别，是典型的区域性标志层。太二段为滨海沼泽相沉积，岩性主要为深灰色、黑色泥岩、炭质泥岩、煤层与灰白色中-粗砂岩互层，局部夹灰岩透镜体，厚度为25～82m，平均50m，埋藏深度2690～2970m。
二叠系山西组：为一套三角洲平原沉积，厚度为78～126m，平均106m，埋藏深度2640～2940m。为灰色中-粗砂岩、岩屑砂岩、砂砾岩，夹深灰色、黑色泥岩、炭质泥岩和煤层，属三角洲平原分流河道为主、间夹分流间洼地和沼泽相沉积。可分为山一段和山二段。山一段中部煤层厚度一般2m以上，地震剖面上也是一强相位（T9c），横向上易于追踪，电性特征为低伽马、低密度、高电阻、高声波、高中子，厚3～12m，常夹炭质泥岩。上部山二段为以分流间沉积为主的泥岩与分流河道砂岩互层的三角洲平原沉积组合。
二叠系下石盒子组：为一套河流相沉积，是气田上古生界的主要含气层位。厚度为99～173m，平均139m，埋藏深度2540～2840m。岩性为灰白色含砾粗砂岩、中-粗粒砂岩及灰绿色细砂岩与深灰色泥岩互层，厚一般为110～130m。可分为盒一、盒二、盒三段。底部为盒一段，其砂岩最发育，厚28～40m，电性特征为低伽马、自然电位负异常，钟-箱型，地震反射波组呈现低振幅（T9d），是本区区域性标志层。上部盒二＋三段沉积厚度一般为50～80m，为砂、泥岩不等厚互层，砂体由多期砂岩叠置而成，层内一般见2～3个旋回主砂体发育，单层砂厚可达20m左右，一般为2～15m，砂层为3～7层，累积厚度可达40m以上。
二叠系上石盒子组：为干旱气候条件下湖泊环境沉积的红色泥岩、砂质泥岩互层，夹薄层状砂岩和粉砂岩，厚150～200m。泥岩以紫褐、棕、棕褐色为主，分布稳定，电性表现为高伽马、低电阻特征，与石千峰组、下石盒子组相比，具“细脖子”的现象；同时，该段声波“跳波”现象明显。