深水弃井作业中普遍采用水力割刀切割回收20"×30"(36")套管。理论方面,目前还没有关于弃井水力割刀切割更深入的理论研究;结构方面,目前应用中的水力割刀切割扭矩大,振动强烈,刀片磨损严重;同时,弃井切割作业时,无法直接判断套管是否完全被割断;且切割中易产生椭圆形切割,导致出现套管一边割断而另一边尚未被割断的情况。这些问题都严重影响了切割作业的安全与效率。本文首先对切割机理进行了研究,并依据当前水力割刀的现场弃井资料,结合经典的切削力和磨削力经验公式,建立了深水大直径水力割刀的切割数学模型表达式,运用多元回归方法和MATLAB软件确定了深水大直径水力割刀切割数学模型,为找出切削力与水力割刀结构、作业参数的关系,指导水力割刀的设计和作业提供了理论依据。然后,结合深水弃井作业技术要求,制定了新型深水大直径水力割刀设计方案,进而完成水力割刀的结构特点与工作原理分析。针对割刀体、销轴、刀片、上活塞、阀杆与喷嘴等关键构件进行了理论计算与有限元分析,此外,还对刀片进行刚度校核;并分析了刀片孔与销轴间隙对割刀振动的影响。从水力学方面分别对螺杆钻具压耗、水力割刀总压耗、地面管汇压耗与钻柱内压耗进行了计算,从而得到切割系统总压耗,并保证水力割刀在平台上顺利实现切割作业。最后,以转速与进给量为设计变量,切割效率为目标函数,建立了作业参数优化数学模型,通过粒子群优化算法得到转速与进给量的最优值;基于螺杆钻具正常工作的要求与切割所需切削力的要求,对钻井液排量与节流嘴直径关系进行了匹配优选。通过本次研究与设计,完善了水力割刀弃井作业的理论研究,完成了新型深水大直径水力割刀的设计。研究表明,所建立的深水大直径水力割刀切割数学模型能够适用于工程实际,所设计的新型深水大直径水力割刀满足预定的设计要求。