一、自然γ测井
图10-50 自然γ测井装置示意图
1—探管外壳；2—γ探测器；3—电子线路；4—高压电源；5—电缆；6—地面记录仪器
沿井孔测量天然γ射线强度，并根据所测量的γ射线曲线研究井孔剖面的方法称为自然γ测井。它是放射性测井中一种最简单的方法，该方法不需要人工放射源。自然γ测井装置如图10-50所示。
自然γ测井测量由岩（矿）石中所含的放射性元素在自然衰变过程中所放射出来的γ射线。通常将测量天然γ射线总强度的方法称为γ测井，而将按能量测量天然γ射线强度的方法称为γ能谱测井。由于不同放射性元素放射的γ射线的数量和能量不同，所以可以根据所测得的γ射线的数量和能量来确定岩（矿）石中所含放射性元素的种类和含量，进而找出放射性矿床和研究岩层性质。γ测井的有效探测半径大约为30～50cm。
放射性γ测井的井下探测器将接收到的自然γ射线转换为电脉冲。电脉冲经过处理进入记录仪器的计数电路，得到与输入脉冲成正比的输出信号，测出γ测井曲线。
（一）自然γ测井曲线的特征及影响因素
1.自然γ测井曲线特征
根据计算，对点状和有限长的探测器，假定围岩及泥浆均无放射性时，一个水平的放射性岩层在井轴处产生的γ射线强度如图10-51所示。其曲线特征如下：
（1）曲线对称于岩层中点，并在该处有极大值Imax。
（2）岩层厚度大于三倍井径时，异常幅度与岩层厚度无关，γ强度曲线在岩层中部成平行井轴的直线段。岩层厚度小于三倍井径时，异常幅度随岩层厚度加大而增大。
（3）当岩层厚度大于井径三倍时，可根据γ强度曲线半极值点划分岩层界面，而岩层厚度不足三倍井径时，半极值点间距离大于岩层厚度。这时可用
Imax点判定岩层界面及厚度。
2.影响自然γ测井曲线的因素
（1）测井速度和仪器常数的影响。由于元素的放射性衰变是一个符合统计规律的过程，所以选择不同的测井速度和仪器时间常数时，所测得的结果将有所不同。图10-52给出选择不同的测井速度V和时间常数τ时，对同一个地段所测得的自然γ曲线Jγ。随速度和时间常数加大，曲线变得平缓，曲线对称性遭到破坏，曲线向着井下仪器移动的方向产生偏移（这里仪器为向上移动），极大值下降，而且岩层厚度越小，曲线幅值降低越明显。
图10-51 水平放射性岩层在井轴处的放射性强度曲线
图10-52 自然γ曲线随Vτ不同的变化
（2）钻井参数（井液、井径、套管、水泥环等）的影响。一方面是它们对γ射线的吸收，另一方面是它们自身的放射性如何影响到测量结果。通常它们不含或含有极微量的放射性物质，对γ测井的影响以吸收作用为主。在有套管、水泥环地段或井径扩大地段，自然γ测井值有所下降。
（3）测量结果的统计涨落引起Jγ曲线产生微小的锯齿状变化。
（二）自然γ测井的应用
1.确定地层泥质含量
对于沉积岩地层，除一些特殊的含放射性矿物（如海绿石等）的地层以外，其放射性和泥质含量有关。不同地区和不同层系地层，岩层放射性强弱和泥质含量关系不完全相同，但可以根据工区的测井资料和大量岩芯分析结果，按照统计的方法制作出适用于本地区的相关关系曲线。
通常按照下式做出泥质系数α和泥质含量Vsh的关系曲线：
式中：Jγ为目的层的γ射线强度；Jγmax为该地区放射性最强的泥岩层的γ射线强度；Jγmin为地区放射性最弱的岩层的γ射线强度。
图10-53为根据岩芯资料对不同时代地层用统计方法作出的三条关系曲线。
2.判断岩性，划分岩层
岩层中放射性物质含量因沉积环境不同而有所不同。特定的沉积环境和条件使放射性物质量有规律地分布和聚集。自然γ测井曲线一般与岩石孔隙中流体性质无关，与泥浆性质无关，它以不同幅值和形态反映出岩层的沉积条件和环境，由此可以利用天然γ测井曲线进行岩层对比。
在砂-泥质剖面中，砂岩天然γ射线强度较弱，黏土层中γ射线强度最高，砂质泥岩、泥质砂岩γ射线强度居中。在碳酸盐岩剖面中，石灰岩、白云岩天然γ射线强度最弱，黏土岩γ射线最强，而泥质灰岩、泥质白云岩γ射线居中。可以利用这些不同的天然γ射线强度划分岩层。
图10-54为一应用天然γ测井曲线划分岩性的实例。在井孔中进行了自然电位测井和天然γ测井工作。由于岩盐大量溶解，泥浆矿化度和地下水矿化度相近，自然电位测井曲线近乎于一条直线，无法用来区分不同岩性。而天然γ测井不受泥浆矿化度影响，测得的自然γ测井曲线对不同岩层有不同反映：泥岩自然γ幅值比较高，尤其是海相泥岩；砂岩、石灰岩、岩盐、方解石的γ值都比较低；花岗岩的γ值更高，其放射性很强。根据所测得的自然γ测井曲线的变化区分了不同岩层，划分了井孔剖面。
图10-53 含泥系数与泥质含量关系曲线
图10-54 应用天然γ测井曲线实例
1—泥岩；2—石膏砂岩；3—方解石；4—海相泥岩；5—岩盐；6—斑脱岩；7—石灰岩；8—花岗岩