一、自然伽馬測井的基本知識
1、原子核的衰變及其放射性
1）原子的結構
2）核素和同位素
核素：具有相同質子數和中子數，並在同一能態上的同類原子。
同位素：質子數相同，中子數不同的核素。
3）核衰變
放射性核素的原子核自發地放出帶電離子，轉變成另外一種原子核同時放射出伽馬射線的現象叫核衰變。如：
任何放射性元素衰變時，其原子核數量隨時間按照指數規律減少：
N0：放射性元素的初始量；N ：經過時間t後的放射性元素量；：衰變常數，表徵衰變速度的常數。
半衰期T：從t=0時的N0個原子核到N0 / 2個所經歷的時間，T和有如下關係：
2、伽馬射線與物質的作用
由於伽馬射線能量不同，與物質原子作用不同。主要產生：光電效應，康普頓效應，電子對效應。
1）光電效應：伽馬射線能量較小時，與原子中的電子相碰撞，將其所有能量交給電子，使電子脫離原子形成光電子，伽馬射線整個被吸收，稱爲光電效應。光電效應與伽馬射線的能量以及吸收物質的原子序數有密切關係，隨原子序數增加而迅速增大，隨伽馬射線能量增大而迅速減小。
2）康普頓效應：中等能量的伽馬射線與原子的外層電子碰撞時，將一部分能量轉交給電子，使電子從一方向射出，稱爲康普頓電子，損失部分能量的伽馬射線從另一方向散射。伽馬射線發生康普頓效應衰減，其衰減程度用康普頓吸收係數表示，它與物質原子序數有關，這就是巖性密度測井的原理。
3）電子對效應：伽馬射線能量大於1.022MeV時與物質原子核作用，伽馬射線轉化爲一個對正負電子，射線本身被吸收。
伽馬射線與物質作用時三種情況都可能發生，但是，伽馬射線能量低時以光電效應爲主，能量較高時以康普頓效應爲主，能量很高時以電子對效應爲主。
4）伽馬射線的吸收：伽馬射線通過物質時，會發生以上三種作用，伽馬射線被吸收，伽馬射線強度逐漸減弱，其程度隨吸收物質的吸收係數增大而加劇。與吸收物質的厚度成指數關係：
其中：、表示射線強度；物質厚度；總吸收係數。
3、放射性強度的探測器
1）放電計數管：利用放射性輻射使氣體電離的特性探測伽馬射線。
利用放射性輻射使氣體電離的特性探測伽馬射線。在密閉的玻璃管內充滿惰性氣體，裝有兩個電極，中間一條細鎢絲是陽極，玻璃管內壁塗上一層金屬物質做陰極。在陰陽極之間加較高電壓（幾百伏到1500伏）。
當伽馬射線進入計數管時它從金屬陰極上打出電子來，這些具有一定動能的電子在管內運動，引起管內氣體電離，產生電子和正離子，在高壓電場的作用下，電子被吸向陽極，並受到電場的加速作用獲得很大的動能，在它運動的過程中又使其它氣體分子電離，產生電子和正離子，並且也被電場加速。於是，就有大量的電子產生併到達陽極，引起陽極放電。通過計數管就有一個脈衝電流產生，使陽極電壓降低，形成一個電壓負脈衝，被測量線路記錄下來。再有伽馬射線進入計數管，就又有新的電壓負脈衝產生並被記錄。此種計數管的計數效率僅有1～2%。
2）閃爍計數器：它由光電倍增管和碘化鈉晶體組成，它是利用被伽馬射線激發的物質的發光現象來探測伽馬射線。
當伽馬射線進入NaI晶體時，伽馬射線就從NaI晶體的原子中打出電子，這些電子具有較高的能量，它們在晶體中運動又使被它們碰撞的原子激發，激發態的原子在它回到穩定的基態時，就放出閃爍光即光子。這些光子射到光陰極上，發生光電效應，而產生光電子，光電子在電場的作用下趨向陽極。在到達陽極的途中，要經過聚焦電極和若干個打拿極。由聚焦電極將電子聚焦在第一個打拿極上，從打拿極上打出較入射電子爲多的電子來，由極性相同，電壓遞增的幾個打拿極逐漸加快電子的速度，並從打拿極上打出數量逐級倍增的電子來，倍增後的大量電子進入陽極，形成脈衝電流，使陽極電壓下降，產生電壓負脈衝，輸入測量線路中記錄。 這種計數管的計數效率約20～30％，是目前主要採用的伽馬射線探測器。
4、岩石的自然放射性
對岩石自然伽馬放射性起決定作用的是鈾系、釷系和放射性核素K40。
放射性取決於岩石放射性核素的種類和數量。
一般火成岩放射性最強，變質岩次之，沉積岩最弱。沉積岩裏深海泥質沉積岩最強，淺海和陸相泥質沉積岩中等，砂岩石灰岩最弱。
二、自然伽馬測井原理
自然伽馬測井是在井內測量岩石中的放射性核素衰變過程放射的伽馬射線強度來研究地質問題的測井方法。
1、自然伽馬測井原理
1）自然伽馬測井儀器
地面儀器
井下儀器：伽馬探測器、放大電路、高壓電源
2）測量過程
當井下儀器在井內由下向上提升時，來自岩層的自然伽馬射線穿過井內泥漿和儀器外殼進入探測器。探測器將接收到的一連串伽馬射線轉換成一個個的電脈衝，然後經井下放大器加以放大，使之能有效地沿電纜送到地面上。地面儀器接受到井下傳來的電脈衝之後，經計數率電路進行累計，再經過簡單的變換和刻度，就連續記錄出井剖面上岩層的自然伽馬強度曲線，稱爲自然伽馬測井曲線。自然伽馬測井曲線（GR）單位是：計數率（1/Min）或API。
2、自然伽馬測井曲線
1）如果把探測半徑定義爲在測井所記錄的信號中佔50％的介質範圍的半徑，則自然伽馬測井的探測半徑爲25～35釐米。
2）曲線特點
自然伽馬測井兩種記錄曲線：原始計數率曲線CGR和自然伽馬API工程值GR。
（1）當上下岩石相同時曲線對稱。
（2）在高放射性地層，曲線極大值出現在地層中心，且隨着地層厚度增加而增加，當厚度大於3倍井眼直徑時極大值爲一常數。
（3）當厚度大於3被井眼直徑時曲線半幅點對應於地層上下界面。
3、測井曲線影響因素
（1）地層厚度的影響
地層變薄，使高放射性地層曲線值下降，低放射性地層的曲線值上升。h＜3d0的地層要考慮地層厚度的影響。
（2）井眼的影響
井眼直徑變大，探測曲線值變小。套管井曲線值變小。
（3）放射性漲落的影響
由於放射性元素衰變隨機獨立，導致每次測量結果都不同，曲線成“小鋸齒”形。
（4）測速和積分電路的影響
記錄儀器的積分電路具有惰性，充放電需要時間，輸出電壓對於輸入要滯後一段時間，儀器移動過程中曲線發生畸變。主要特徵爲：
1.極大值減小且不在地層中心而是上下移動；
2.測井的厚度增大半幅點上移；
3.厚度越小積分電路影響越大，曲線越畸變；
4.爲減少積分電路影響要適當控制測井速度。
4、測井曲線應用
（1）劃分巖性
結合其它測井曲線判斷地層剖面巖性組成。
（2）地層對比
與電阻率曲線相比GR特點：與地層水和泥漿無關；與孔隙所含流體無關；容易找到標準層。
（3）劃分儲集層
在砂泥岩剖面，低自然伽馬異常一般就是砂岩儲集層，異常半幅點確定儲集層界面。
（4）計算地層泥質含量
地層的自然伽馬異常隨泥質含量增加而減小。經過適當的刻度，便可用自然伽馬異常計算地層泥質含量。