二、γ-γ测井
γ-γ测井是以岩层对γ射线的散射和吸收性质不同为基础的一种测井方法。γ-γ测井的井下仪器中放有γ源。从放射源射出的γ射线与岩石中的电子发生碰撞，经碰撞散射后的部分γ射线传到井下探测器中。地面仪器测量并记录经散射的γ射线强度。γ-γ测井井下仪器工作原理如图10-55所示。井下仪器下端安置有γ源，上部安有探测器。为防止γ射线由放射源直接进入探测器，在放射源和探测器之间设有铅屏。为了消除泥浆影响，使井下仪器中γ源的铅屏开口对着岩层，并用弹簧片使井下仪器紧贴井壁移动，移动过程中进行测量。
γ-γ测井按选用γ源能量工作方式的不同可分为密度测井、选择γ-γ测井、岩性-密度测井。
（一）γ-γ测井方法原理
γ-γ测井所测量记录的散射γ射线的强度，主要取决于岩石对γ射线的吸收程度。前面已经讲过，γ射线对物质有光电效应；康普顿-吴有训效应及电子对形成三种作用。岩石对γ-γ射线的吸收是三种效应吸收的总和。各种效应的强弱既与γ射线的能量有关，又与元素的原子序数有关。对不同能量的γ射线和一定元素而言，其中有一个效应是主要的，因此，不同条件下的γ-γ测井反映了岩石的不同方面的性质。1.密度测井
图10-55 γ-γ测井井下仪器工作原理图
1—γ源；2—铅屏；3—探测器；4—弹簧片；5—电缆
密度测井中常用的γ源有60Co和137Cs。60Co的γ射线能量为1.33MeV和1.17MeV，137Cs的γ射线能量为0.66MeV。对于构成沉积岩的大多数元素，原子序为1～20，上述γ射线与这些轻元素之间的作用以康普顿散射为主。此时康普顿吸收系数与岩石密度成正比。γ-γ测井曲线变化反映了岩石密度的变化。所以这种γ-γ测井又称为密度测井。
2.选择γ-γ测井
当选用能量较低的γ源，如表10-3所列的γ源，且有选择地测量低能量的γ射线时，这些γ射线穿过岩石以光电效应为主。光电效应吸收系数与γ射线能量的三次方成反比，与原子序数的3～5次方成反比。所以采用低能量的γ源的γ-γ测井，其测井曲线变化反映了岩石的有效原子序数的变化（有效原子序数Z有效=3∑Zi3Pi；Zi为组成岩石的第i种元素的原子序，Pi为第i种元素在岩石中所占的重量百分比）。当岩石中有少量金属矿物时，有效原子序明显增大，所以这种γ-γ测井能探测金属含量很低的金属矿，称其为选择γ-γ测井。
表10-4给出了某些岩石和矿石的有效原子序和密度。
表10-3 常用γ源能量及探测对象
表10-4 部分常见岩石、矿石的有效原子序和密度
3.岩性-密度测井
这是近年来国外开展的一种新测井方法。它采用长、短源距，按能量不同分区记录散射γ射线的强度，称为岩性-密度测井。它综合利用康普顿效应和光电效应，测量与康普顿效应有关的、能量高于200keV的散射γ射线，以反映岩层密度；而能量低于200keV的散射γ射线，由以康普顿散射为主逐步过渡到以光电效应为主；测量40～80keV的低能区以反映岩层中元素的原子序数，用以判断岩性。测量多种能量散射γ射线，互相配合可以准确地确定岩性，对研究矿物成分，确定某些高原子序数的元素，判断裂隙等都有明显优势。
（二）影响γ测井的因素
γ-γ测井通过测量散射γ射线的强度来研究井孔剖面。而γ射线由γ源发出后，通过井液，再经过岩石散射才到达探测器，这样仪器周围的井液以及井径大小的变化必将影响探测结果。通常泥浆密度加大，γ-γ测量数值减小；泥浆密度减小，γ-γ测量数值加大。同时泥浆密度比岩石密度小得多，井径变大时，探测范围内介质平均密度变小，影响γ-γ测井观测结果。此外，γ放射源放出的γ射线强度及能量的大小不同，井下仪器所选用的源距大小，井下仪器外壳所用的材料的不同以及探测器放射源之间铅屏位置、厚度等也都影响γ-γ测井的测量结果。为了减少这些因素的影响，一般γ-γ测井工作中，保持整个井孔中泥浆均匀，井下仪器紧贴井壁，选择一定能量、强度的γ源，并根据工作要求选择一定源距，同时进行井径测量，测量沿井孔的井径变化曲线。
γ-γ测井曲线和γ测井曲线一样，也有受测井速度、时间常数以及统计涨落误差影响所带来的曲线畸变。
（三）γ-γ测井的应用
1.划分岩性
利用岩石密度不同对γ射线吸收的不同，用测得的γ-γ测井曲线的变化来区分岩性。图10-56是利用γ-γ测井曲线划分岩性的一应用实例。对应于泥质砂层，γ-γ测井曲线数值较高，而对应于砂砾石层，γ-γ测井曲线数值较低。在进行γ-γ测井的井孔中，也进行了天然γ测井。同样，对应着泥质地层，自然γ测井测得的γ射线强度较大，砂砾石层γ射线强度较低。
图10-57为利用γ-γ测井划分密度不同岩层又一实例。整个井孔有泥质岩、粉砂岩、灰岩和煤层。在这井孔中进行了视电阻率测井和γ-γ测井。由于煤和灰岩均为高电阻率介质，在视电阻率测井曲线上均出现高电阻率异常，无法由高电阻率异常确定煤层位置。而由于煤层密度较泥质岩、粉砂岩、砂岩密度低很多。所以在γ-γ测井曲线上，煤层与其他岩层间有明显的不同反映。其他几种岩层间密度的差别，不如煤层与它们之间的差别那样大，引起γ-γ测井曲线变化亦不够明显。从而由γ-γ测井三个异常准确地确定了煤层位置。
图10-56 γ-γ测井及γ测井曲线
图10-57 测井及视电阻率测井曲线
2.确定岩层孔隙率
在水文地质及油田钻孔中γ-γ测井主要用来确定岩层密度，计算岩层孔隙率。
设岩石由矿物颗粒和充满孔隙的液体组成，经简化得到孔隙率φ与岩石密度ρb、矿物颗粒密度ρma、孔隙中液体密度ρf之间有以下关系式：
知道了岩石的矿物成分和孔隙中液体性质，便可以确定ρma及ρf，再根据密度测井资料求出ρb后，便可求出φ值。
3.划分含水层
图10-58为一利用γ-γ测井曲线划分含水层实例。该地区含水层为砾石层，用视电阻率测井未能得到明显异常。应用γ测井和γ-γ测井进行测量，对应砾石层都得到了低值异常，γ-γ测井反映尤其明显。根据γ-γ测井曲线确定了含水砾石层。
图10-58 用γ-γ测井曲线确定含水层实例
1—砂层；2—砂砾层；3—黏土；4—含贝壳黏质砂土层；5—黏质砂土层；6—含黏土砾石层