本发明公开了一种利用碳分馏的多层合采测试的实验系统和方法，包括：气体注入装置、第一岩心夹持器、第二岩心夹持器、第三岩心夹持器、气体分析计量装置、压力控制装置；第一岩心夹持器、第二岩心夹持器、第三岩心夹持器为耐高温耐高压的容器，内部包括若干温度探头，左侧均连接有气体注入装置，右侧均连接有气体分析计量装置；第一岩心夹持器、第二岩心夹持器、第三岩心夹持器和第二流量计、第四流量计、第六流量计之间连接有压力控制装置；第一岩心夹持器、第二岩心夹持器、第三岩心夹持器并联连接。本发明的技术方案为更加高效、合理的进行煤系气合采开发方案提供了理论支撑。