一种分段水平井控水三维模拟实验装置及其实验方法，实验装置主要由供液系统、环空系统、控水装置工作系统、中心管系统、样品采集系统组成。所述供液系统中高排量变频柱塞泵进液端用管线与储液罐连接，出液端用管线与数控流量计相连接，数控流量计用管线与环空系统进液接口连接，控水系统基管安装在环空系统内，通过封隔挡板形成独立产液段，中心管模块安装在控水系统基管内部，基管与中心管内部形成环空流通腔室，中心管出液端与样品采集系统相连接，形成完整的流动系统。本发明可有效的模拟分段水平井在不同产液贡献、油水混合状态不同含水率情况下单个或多个自动流入控制装置的流量限制效果，从而验证控水装置的控水效果。