本发明提供了一种测量层状非均质油藏二氧化碳泡沫驱重力分异距离的装置，包括CO₂气瓶、表面活性剂溶液装置、驱替泵、空气质量流量计、低速搅拌器、内置滤网管线、可视化平板模型、压力监测器、图像摄取设备、光源设备、图像采集装置、实时数据采集装置。本申请还提供了利用上述装置测量层状非均质油藏二氧化碳泡沫驱重力分异距离的方法。本申请提供的装置可以直接观测非稳态驱替过程到稳态驱替过程中二氧化碳泡沫的驱替规律，研究泡沫在向上运移过程中的破灭规律；所采用的可视化平板模型可以准确模拟油藏纵向非均质性对二氧化碳泡沫驱重力分异距离的影响，从宏观和微观角度揭示泡沫延长重力分异距离驱替机理。